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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fixtur und ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken als Teil eines Härteprozesses. Die Fixtur weist eine Aufnahme auf und einen Dorn, der mittig in ein ringförmiges Werkstück eingreift. Gattungsgemäße Fixturen können auch Niederhalter aufweisen, um das Werkstück zu fixieren, damit es sich während des Abkühlens nicht verzieht, oder, wenn es sich beim Erhitzen schon verzogen hat, um es wieder in Form zu drücken. Als Abschreckmedium kommen Gase und Flüssigkeiten infrage, wobei aufgrund der hohen Temperaturen am Werkstück zumindest zu Beginn des Abschreckprozesses flüssige Abschreckmittel teilweise verdampfen.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken mittels Preßwerkzeugen ist aus der
DE 40 04 295 C2 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, während jedes Abschreckvorgangs die Auswirkungen der vorgegebenen Verfahrensparameter direkt oder indirekt zu messen und die vorgegebenen Verfahrensparameter bei Abweichungen vom gewünschten Ziel entsprechend den bekannten Wirkungen der Verfahrensparameter automatisch zu ändern. Eine Durchflußmenge an zirkulierendem Kühlmedium kann für die gesamte Fixtur innerhalb gewisser Grenzen entsprechend eines geforderten Sollwerts eingestellt werden.
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Die
DE 10 2009 004 125 A1 betrifft eine druckbeaufschlagende Fixierungsvorrichtung für thermisch zu behandelnde Werkstücke, welche eine Auflageeinrichtung integriert, auf welcher bei Betrieb während eines Härte- oder Abkühlprozesses wenigstens ein thermisch zu behandelndes Werkstück aufliegt, wobei die Auflageeinrichtung Auflagepositionen in lediglich einer horizontalen Ebene bereitstellt, und eine oberhalb der Auflagepositionen angeordnete Niederhaltungseinrichtung, welche eine Vielzahl von Niederhaltungswerkzeugen besitzt, die in Richtung der Auflagepositionen gerichtete Niederhaltungsenden bereithalten, wobei die Niederhaltungswerkzeuge jeweils derart einzeln vertikal beweglich angeordnet und mit Druck beaufschlagbar sind, dass in einem Lade- oder Entladezustand der Vorrichtung zwischen jedem Niederhaltungsende und den Auflagepositionen ein Freiraum definiert ist, der im Betrieb während eines Härte- und/oder Abkühlprozesses vollständig geschlossen ist, und zwar derart, dass jedes Niederhaltungsende entweder an einer Auflageposition oder an einem thermisch zu behandelnden Werkstück anliegt.
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EP 2 700 725 A2 offenbart ein Verfahren zum Härten jeweils eines einzelnen, ringförmigen Werkstückes sowie eine hierzu ausgebildete Fixtur, bei welchem ein einzelnes, zu härtendes ringförmiges Werkstück mit dessen Öffnung über einen Dorn gestülpt wird, bis das Werkstück mit einer ersten Stirnfläche auf einer Auflage aufliegt; ein oder mehrere Niederhalter von einer der ersten Stirnfläche entgegen gerichteten Seite in Richtung des Auflagers zugeführt wird bzw. werden, bis der bzw. die Niederhalter auf einer der ersten Stirnfläche entgegen gerichteten zweiten Stirnfläche des Werkstücks kraftbeaufschlagt aufliegt bzw. aufliegen; kaltes gasförmiges Abschreckmittel zumindest an das Werkstück begrenzende und zueinander entgegen gerichtete Flächen des Werkstückes zugeführt wird; und erwärmtes Abschreckmittel abgeführt wird. Gasförmige und flüssige Abschreckmittel können dem Werkstück getrennt zugeführt werden. Innerhalb der Fixtur ist wenigstens ein Temperaturaufnehmer zur Erfassung der Temperatur am Werkstück angeordnet, wobei der Temperaturaufnehmer an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Einstellen der Zuführung von Abschreckmittel basierend auf der Temperatur am Werkstück angeschlossen ist. Die Menge an gasförmigem und flüssigem Abschreckmittel kann global für die gesamte Fixtur bzw. das gesamte Werkstück geregelt werden.
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In dem Artikel „Fixture Hardening of Large Components“ vom 05.09.2016, veröffentlicht unter Industrial Heating von Gerd Müller-Laessing und Markus Ströbl wird belegt, dass es möglich ist, durch einen Abschreckvorgang verzogene ringförmige Werkstücke, insbesondere Zahnräder, zu begradigen, bzw. deren Rundheit wieder herzustellen. Hierfür werden die Werkstücke beim Abschrecken radial von innen kraftbeaufschlagt und axial von Niederhaltern zusammengedrückt. Die Menge an Abschreckmittel wird so hoch eingestellt, dass eine gleichmäßige Abkühlung erfolgt. Die Verteilung an Abschreckmittel von innen nach außen kann für jedes Werkstück auf eine optimale Rate eingestellt werden.
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In der Dissertation von Anders Olofson „Hardening Distortions of Serial Produced Gears", KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, 2017, ISBN 978-91-7729-449-8 wird ganzheitlich untersucht, welche Parameter beim Herstellungsprozeß von Zahnrädern, vom Urformen zum Abschrecken, zu Verformungen führen.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, die Kontrollierbarkeit des Abschreckvorganges zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und sie zeigen weitere Aspekte der Erfindung auf. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, spezifiziert und charakterisiert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß eine Fixtur zum Abschrecken von Werkstücken, aufweisend eine verschließbare Aufnahme für ein Werkstück und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme und dadurch an das Werkstück, wobei Volumenströme an Abschreckmedium zu Gruppen von Kanälen regulierbar sind, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück stellenweise gezielt zu beeinflussen.
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Dadurch, dass Gruppen von Kanälen regulierbar sind, wird eine gezieltes Reagieren auf eine ungleichförmige Abkühlrate am Werkstück ermöglicht. Abschreckmedium muß nicht mehr global für die gesamte Fixtur erhöht werden, bloß weil der Volumenstrom an einer einzigen Stelle nicht ausreicht. Dadurch wird die Prozeßführung beim Abschrecken erheblich verbessert, weil Volumenströme an Gruppen von Kanälen zugunsten von heißeren Stellen am Werkstück mit erhöhtem Bedarf verringert werden kann. Anders ausgedrückt kann eine Verteilung an Volumenströmen um das Werkstück auf eine gleichmäßige Abkühlrate eingestellt werden. Dadurch können zum einen durch ungleichmäßige Abkühlung entstehende Verformungen unterbunden werden. Zum anderen können lokal an nahezu jeder Stelle am Werkstück, auf die ein Kanal gerichtet ist, eine ganz gezielte Abkühlrate eingehalten werden, um definierte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Die Aufnahme kann einen Boden, Seitenwände, einen Deckel und einen mittig das Werkstück durchdringenden Dorn aufweisen. Die fluidleitenden Kanäle münden in die Aufnahme und sind nach Möglichkeit so ausgerichtet, dass aus ihnen heraustretendes Abschreckmedium auf das Werkstück gerichtet wird. Die Kanäle sind im Wesentlichen runde, kreisförmig nebeneinander angeordnete Bohrungen. Als Abschreckmedium kommen Flüssigkeiten und Gase in Betracht.
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In einer Ausgestaltung sind für ein ringförmiges Werkstück mit einer radial außen liegenden Außenseite, einer radial innen liegenden Innenseite, einer axial oben liegenden Oberseite und einer axial unten liegenden Unterseite ringförmig angeordnete Gruppen von Kanälen vorgesehen, wobei eine erste Gruppe so in der Aufnahme angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Außenseite aus einer axialen Richtung von außen anströmen, eine zweite Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Außenseite flächig von der Unterseite zur Oberseite anströmen, eine dritte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Unterseite anströmen, eine vierte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Innenseite flächig von der Unterseite zur Oberseite anströmen, eine fünfte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Innenseite radial auswärts anströmen und eine sechste Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Oberseite anströmen.
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Dadurch wird bei einem ringförmigen Werkstück, insbesondere einem Zahnrad, eine gleichmäßige Abkühlung an jeder außen liegenden Fläche erzielbar.
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In einer Ausgestaltung wird der Volumenstrom über Ventile reguliert, die ausgangsseitig mit den Kanälen und eingangsseitig zumindest mit einer mit Abschreckmedium druckbeaufschlagten Versorgungskammer fluidleitend verbunden sind.
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Die Gruppen von Kanälen können über jeweils ein Ventil gesteuert werden oder jeder Kanal einer Gruppe kann über ein eigenes Ventil gesteuert werden.
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In einer Ausgestaltung sind die Ventile Proportionalventile, die abhängig von einem Eingangssignal ein veränderliches Durchlaßverhalten aufweisen.
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Durch den Einsatz von Proportionalventilen kann ein in die Kanäle fließender Volumenstrom stetig auf genau den bestehenden Bedarf eingestellt werden.
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In einer Ausgestaltung sind in den Kanälen, insbesondere nahe am Werkstück Volumenstromsensoren vorgesehen sind, welche dazu ausgestaltet sind, einen an die Kanäle geleiteten Volumenstrom zu erfassen ein ein Signal zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück Temperatursensoren angeordnet, welche dazu ausgestaltet sind, eine von dem Werkstück abgestrahlte Temperatur zu erfassen und ein Signal zu erzeugen.
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Die Temperatursensoren können dabei so angeordnet sein, dass sie eine vom Werkstück abgestrahlte Temperatur nahe an einem das Werkstück anstrahlenden Kanal angeordnet ist. Anstrahlen bedeutet in diesem Zusammenhang die gerichtete Beaufschlagung mit Abschreckmedium. Anders ausgedrückt befinden sich die Temperatursensoren vorzugsweise derart in der Fixtur bzw. der Aufnahme, dass eine von ihnen detektierte heiße Position am Werkstück unmittelbar von Abschreckmedium angeströmt werden kann.
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Im derzeitigen Stand der Technik werden empirisch ermittelte Daten für jedes Werkstück einzeln ermittelt und das Abschreckmedium entsprechend ohne genaue Kenntnis der Vorgänge in der Fixtur für jedes Werkstück gleich zugeführt. Durch den Einsatz einer Überwachung in Form von Temperatursensoren ist es möglich, örtlich höhere Bedarfe an Abschreckmedium sofort zu erkennen und entsprechend dort den Volumenstrom so zu erhöhen, dass eine gezielte Abkühlrate eingehalten werden kann.
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In einer Ausgestaltung sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück Schallsensoren angeordnet.
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Die Schallsensoren liefern der Steuereinheit weitere Daten, die Aufschluß über das Abkühlverhalten geben. Ein direktes Feedback in Form von Schallwellen vom Werkstück wird an sich, vor allem bei einer (unerwünschten) Rißbildung und bei Aufplatzungen an der Werkstückoberfläche durch zu hohe Oberflächen- und Eigenspannungen gegeben. Indirekt geben Schallsensoren Aufschluß über die Oberflächentemperatur, da das Abschreckmedium, je höher die Oberflächentemperatur am Werkstück ist, schneller und lauter verdampft.
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In einer Ausgestaltung sind, die die Volumenstromsensoren in die Ventile integriert.
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Dadurch kann ein kompakter Aufbau einer Fixtur realisiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Ventile durch eine obere Ventilplatte und eine untere Ventilplatte, die gegenüber der oberen Ventilplatte verschiebbar angeordnet ist, um Bohrungen in der unteren Ventilplatte in Überlappung mit Bohrungen in der oberen Ventilplatte zu bringen, gebildet.
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Die Ventilplatten können insbesondere gegeneinander verdreht werden, um mit zunehmender Verdrehung unterschiedliche Kanäle bzw. Gruppen von freizugeben bzw. eine fluidleitende Verbindung von Versorgungskammern zu den Gruppen Kanälen bereitzustellen.
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In einer Ausgestaltung sind die Ventile und die Sensoren signalübertragend mit einer Steuereinrichtung gekoppelt, die dazu ausgestaltet ist, die von den Sensoren erfaßten Signale zu verarbeiten und daraus Istwerte zu generieren und bei einer Abweichung eines Istwertes von einem Sollwert die Ventile zur Erreichung eines definierbaren steuerbaren örtlichen Volumenstroms differenziert anzusteuern.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist einer Steuereinrichtung ein digitales Model der Fixtur implementiert, welches in der Steuereinrichtung verwendet wird, um eine Temperaturverteilung nahe am Werkstück zu antizipieren und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Gruppen von Kanälen auszugeben.
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Durch eine genaue Kenntnis des momentanen Zustands (Temperaturverteilung und Volumenströme) der Fixtur und einem Abgleich mit einem digitalen Modell kann eine Reaktion auf eine Verschiebung eines Regelsollwerts computerimplementiert vorhergesagt werden und entsprechend die Ventile oder die Ventilplatten so angesteuert werden, dass eine gewünschte Temperaturverteilung und eine gewünschte Verteilung von Volumenströmen an Abschreckmedium resultiert. Die Präzision einer Regelsollwertveränderung und der darauffolgenden Reaktion der Fixtur kann damit erhöht werden gegenüber einer Regelung, die sich lediglich auf eine Rückkoppelung von Sensoren verläßt, um eine Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert einzustellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in einer Steuereinrichtung ein digitales Model des Werkstücks implementiert, welches in der Steuereinrichtung basierend auf einer Position und einer Richtung der Kanäle eine Strömungsverteilung und eine daraus resultierende Temperaturverteilung am Werkstück antizipiert und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Kanälen ausgibt.
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Durch eine genaue momentane Kenntnis des momentanen Zustands des Werkstücks, insbesondere der Temperaturverteilung, eines Umwandlungs- Wärmeübertragungs- und Diffusionsvorgangs in einem digitalen Modell kann eine Reaktion des Werkstücks auf eine Verschiebung eines Regelsollwerts der Fixtur bzw. noch präziser computerimplementiert vorhergesagt werden und entsprechend die Ventile oder die Ventilplatten so angesteuert werden, dass eine gewünschte Abkühlrate erzielt wird. Die Präzision einer Regelsollwertänderung und der darauffolgenden chemisch physikalische Reaktion des Werkstücks kann damit erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Fixtur für unterschiedliche Werkstücke angepaßt werden kann, indem lediglich ein dem abzuschreckenden Werkstück entsprechendes digitales Modell implementiert wird. Die ideale Prozeßführung übernimmt die Fixtur bzw. die Steuereinrichtung dann automatisch.
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Erfindungsgemäß vorgesehen sind Mittel, welche in einer Steuereinheit zur Regelung einer Fixtur hinterlegbar sind, um ein in einer Aufnahme einlegbares Werkstück abzukühlen, aufweisend:
- i. Mittel zum Erfassen eines stellenweisen erhöhten oder verringerten Bedarfs einer Abkühlrate an einem in einer Aufnahme der Fixtur eingelegten Werkstück,
- ii. Mittel zum Erstellen eines Regelsollwerts für Regelorgane zur Regelung eines Volumenstroms in der Fixtur,
- iii. Mittel zum Regeln der Volumenströme an Abschreckmedium in jeweils in der Aufnahme endenden Kanälen, jeweils einzeln oder nach Gruppen gebündelt, um während eines Abschreckvorganges die Abkühlrate an dem Werkstück gezielt stellenweise entsprechend des erhöhten oder verringerten Bedarfs zu beeinflussen.
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Regelorgane können regelbare Pumpen sein oder Ventile, die ein mit Druck beaufschlagtes Abschreckmedium an die Kanäle verteilen und die dazu ausgestaltet sind, den Volumenstrom einzustellen. Dies kann durch PWM-gesteuerte Schaltventile und/oder durch Proportionalventile erfolgen.
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Diese Mittel können weitergebildet werden durch:
- i. Mittel zum Erfassen einer tatsächlichen Temperatur und einer Abkühlrate durch mindestens einen, vorzugsweise mehrere nahe am Werkstück angeordnete Temperatursensoren, und Zuordnung zu einem momentan vorliegenden Regelistwerts für Regelorgane zur Regelung der Volumenströme,
- ii. Mittel zum Erfassen einer idealen Temperatur und einer Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück vorliegen müßten, um vordefinierte Werkstoffeigenschaften zu erreichen, anhand eines in einer Steuereinrichtung hinterlegten digitalen Models des Werkstücks bzw. der Aufnahme der Fixtur,
- iii. Mittel zum Erstellen des Regelsollwerts entsprechen Punkt ii. aus Anspruch 13 basierend auf einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der idealen Temperatur.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind ferner vorgesehen:
- i. Mittel zum Erfassen eines Geräuschpegels in der Aufnahme anhand eines Schallsensors,
- ii. Mittel zum Erfassen eines Druckunterschieds vor und nach dem Werkstück in der Aufnahme durch mehrere Drucksensoren,
- iii. Mittel zum Ergänzen eines tatsächlichen Zustands des reellen Werkstücks basierend auf dem Druckunterschied und dem Geräuschpegel.
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Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hardwaretechnisch und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Mittel eine mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Steuereinheit mit Mikroprozessoren (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgestaltet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Fixtur steuern, insbesondere regeln kann.
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In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihre Mittel.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
- 1: im Schnitt einen Teilbereich einer Fixtur mit einer Aufnahme, welche mehr oder weniger formschlüssig ein Werkstück aufnimmt und dies mit einem mittigen Dorn radial von innen und axial über Niederhalter verspannt, und
- 2: eine Ansicht der Fixtur,
- 3: schematisch drei Verfahrensschritte, welche in der Fixtur ablaufen können, um die Fixtur zu steuern, und
- 4: einen Teilbereich zweier in eine Fixtur gemäß 1 oder 2 einlegbarer Ventilplatten.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
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1 zeigt eine Fixtur 1 zum Abschrecken von Werkstücken 2 mit einer verschließbaren Aufnahme 3 für das Werkstück 2 und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen 4, die in die Aufnahme 3 münden, zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme 3 und dadurch an das Werkstück 2. Die Kanäle 4 sind überwiegend auf das Werkstück 2 gerichtet, das heißt aus den Kanälen 4 austretendes Abschreckmedium prallt unmittelbar auf Oberflächen am Werkstück 2. Die Aufnahme 3 weist zentral einen Dorn 5 auf, der durch das ringförmige Werkstück 2 geführt werden kann. Bei dem Werkstück 2 handelt es sich um ein Zahnrad mit zwei Zahnradkränzen. Ein Niederhalter 6 hält das Werkstück 2 in axialer Richtung A in Position.
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Die Fixtur weist sechs Gruppen von Kanälen 4 auf. Jede Gruppe von Kanälen 4 mündet direkt oder zuvor umgelenkt in der Aufnahme 3. Die Kanäle 4 sind jeweils ringförmig konzentrisch um das Werkstück 2 nebeneinander angeordnet. Die Kanäle 4 münden so in der Aufnahme 3, dass durch sie einströmendes Abschreckmedium sich gleichmäßig über das Werkstück 2 verteilt.
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Eine erste Gruppe G1 ist so in der Aufnahme 3 angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 eine Außenseite 7 des Werkstücks 2 entgegen einer radialen Richtung R von außen anströmen. Die die Außenseite 7 anströmenden und in 1 dargestellten Kanäle 4 sind Teil einer Vielzahl an der Gruppe G1 zugeordneten, ringförmig um das Werkstück 2 angeordneten Kanälen 4, der Einfachheit halber sind nur vier Kanäle 4 dargestellt. Eine zweite Gruppe G2 ist so angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Außenseite 7 flächig von einer Unterseite 8 zur einer Oberseite 9 anströmen. Sichtbar sind zwei Kanäle 4 der zweiten Gruppe G2, die Kanäle 4 der Gruppe G2 sind jedoch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine dritte Gruppe G3 ist so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Unterseite 8 anströmen. Sichtbar sind wieder nur zwei Kanäle 4 der dritten Gruppe G3, die Kanäle 4 der Gruppe G3 sind jedoch auch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine vierte Gruppe G4 ist so angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 eine Innenseite 10 des Werkstücks 2 flächig von der Unterseite 8 zur Oberseite 9 anströmen. Sichtbar sind in 1 wieder nur zwei Kanäle 4 der vierten Gruppe G4. Die Kanäle 4 der vierten Gruppe G4 sind jedoch auch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine fünfte Gruppe G5 ist so angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Innenseite 10 vom Inneren des Dorns 5 her in radialer Richtung R auswärts anströmen. Dargestellt sind in 1 wiederum nur zwei Kanäle 4 der fünften Gruppe G5. Die Kanäle 4 der Gruppe G5 sind jedoch auch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine sechste Gruppe G6 ist so angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Oberseite 9 anströmen. Auch für die sechste Gruppe G6 gilt, dass die ihr zugeordneten Kanäle konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet sind, aber nur zwei in 1 erkennbar sind. Die Kanäle 4 der sechsten Gruppe G6 werden vom Dorn 5 aus mit Abschreckmedium versorgt.
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Durch die Gruppen G1 bis G6 gelangen regelbare Volumenströme Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 an Abschreckmedium in die Aufnahme 3, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück 2 stellenweise gezielt zu beeinflussen. Über Ventile 11 können die Volumenströme Q1 bis Q6 eingestellt werden, wobei beispielhaft nur ein Ventil 11 schematisch dargestellt ist. Das Ventil 11 ist regelbar, insbesondere handelt es sich um ein Proportionalventil. Andere Bauformen wie zum Beispiel über PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuerte Schaltventile sind ebenfalls denkbar.
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In 2 sind zwei Versorgungskammern 12 und 13 dargestellt, die im Betrieb mit Abschreckmittel geflutet sind, das unter einem gewissen Druck steht. Die Ventile 11 sind dazu ausgestaltet, eine fluidleitende Verbindung zwischen den Versorgungskammern 12, 13 und den Gruppen G1 bis G6 von Kanälen 4 herzustellen und innerhalb gewisser Grenzen stetig zu regeln. Die gewissen Grenzen ergeben sich durch eine konstruktionsbedingte Drosselwirkung der Ventile 11. Die Ventile 11 werden daher so gewählt, dass ein für eine gewünschte Abkühlrate notwendiger Volumenstrom Q1 bis Q6 realisiert werden kann. Die zweite Versorgungskammer 13 ist konzentrisch innerhalb der zweiten Versorgungskammer 12 angeordnet. Die erste Versorgungskammer 12 versorgt die Gruppen G1 bis G2 mit Abschreckmedium, wenn ihnen zugeordnete Ventile 11 offen sind. Die zweite Versorgungskammer 13 versorgt die Gruppen G3 bis G6 mit Abschreckmedium, wenn ihnen zugeordnete Ventile 11 offen sind.
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in den Kanälen 4 bzw. den Ventilen 11 sind ferner Volumenstromsensoren 14 vorgesehen, welche dazu ausgestaltet sind, einen an die Kanäle 4 geleiteten Volumenstrom Q1 bis Q6 zu erfassen und ein elektrisches analoges oder digitales Signal zu erzeugen. Das Signal kann von einer Steuereinrichtung 15 erfaßt und verarbeitet werden. Das zum jeweiligen Volumenstrom Q1 bis Q6 korrespondierende Signal kann kabellos und über eine nicht dargestellte Leitung weitergegeben werden.
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Weiterhin sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück 2 Temperatursensoren TC3, TC4, TC5, TC6 angeordnet, welche dazu ausgestaltet sind, eine von dem Werkstück 2 abgestrahlte Temperatur zu erfassen und ein analoges oder digitales Signal zu erzeugen. Das Signal kann von der Steuereinrichtung 15 erfaßt und verarbeitet werden. Das zur jeweiligen Temperatur korrespondierende Signal kann kabellos und über eine nicht dargestellte Leitung weitergegeben werden. Vorzugsweise werden temperaturunempfindliche und schnell reagierende Temperatursensoren TC3 bis TC6 verwendet.
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Weiterhin ist in 2 erkennbar ein erster Temperatursensor TC1, der in der ersten Versorgungskammer 12 angeordnet ist, um zu erfassen, wie hoch die Temperatur des Abschreckmediums in der ersten Versorgungskammer 12 ist. Ein siebter Temperatursensor TC7 ist an einem Auslaß 16 zur Ableitung von Abschreckmedium aus der Fixtur 1 angeordnet. Abschreckmedium kann anschließend in nicht dargestellter Weise aufbereitet, insbesondere gekühlt ggf. gefiltert und ggf. mit frischem Abschreckmittel vermengt werden und den Versorgungskammern 12 und 13 wieder zugeführt werden
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Zur Überwachung des Abschreckvorgangs sind bereits Temperatursensoren TC1 bis TC7 eingeführt worden. Die Fixtur 1 weist ferner Schallsensoren S1 auf, mit denen das Verdampfen des Abschreckmittels überwacht werden kann. Ein Aufplatzen einer Oberfläche des Werkstücks oder eine Rißbildung im Werkstück ist in der Regel unerwünscht und führt zum Ausschuß des Werkstücks. Das Aufplatzen und die Rißbildung ist über Schallsensoren S1 detektierbar. Im Übrigen kann aus einer Lautstärke, mit der das Abschreckmedium verdampft, auch auf eine Oberflächentemperatur geschlossen werden. Hierfür dient der Schallsensoren S1. Zur Überwachung von statischem und dynamischem Drücken in der Fixtur 1, insbesondere von einem Druckabfall über dem Werkstück 2, sind ferner Drucksensoren P3 und P4 nahe am Werkstück 2 vorgesehen.
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In dem exemplarisch dargestellten Ventil 11 ist ein Volumenstromsensor 14 integriert. Ventile 11 sind entweder an jedem Kanal 4 oder an Gruppen G1 bis G6 von Kanälen 4 vorgesehen. Der Übersicht halber wird auf die dezidierte Darstellung jedes einzelnen Ventils verzichtet.
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Es ist denkbar, entsprechend 4 die Ventile 11 auszubilden durch eine obere Ventilplatte 17 und eine untere Ventilplatte 18. Die untere Ventilplatte 18 ist gegenüber der oberen Ventilplatte 17 verdrehbar angeordnet, um Bohrungen 19 in der unteren Ventilplatte 18 in Überlappung mit Bohrungen 20 in der oberen Ventilplatte 17 zu bringen. Die Ventilplatten 17 und 18 können gemäß dieser Ausgestaltung gegeneinander verdreht werden. Eine Verschiebung der Ventilplatten 17 und 18 ist zur Erreichung eines weiteren Freiheitsgrads für ein Öffnen und Schließen der Ventile ebenfalls möglich aber nicht dargestellt.
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Die Ventile 11 und die Sensoren TC1 bis TC7, P1 bis P4, S1 sind signalübertragend bzw. signalleitend mit einer Steuereinrichtung 14 gekoppelt, die dazu ausgestaltet ist, die von den Sensoren erfaßten Signale zu verarbeiten und daraus Istwerte zu generieren und bei einer Abweichung eines Istwertes von einem Sollwert die Ventile 11 zur Erreichung eines definierbaren steuerbaren örtlichen Volumenstroms differenziert anzusteuern.
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Exemplarisch beispielhaft ist in 2 ein in einer Steuereinrichtung 15 implementiertes digitales Modell der Fixtur 21 implementiert, welches in der Steuereinrichtung 15 verwendet wird, um eine Temperaturverteilung nahe am Werkstück 2 zu antizipieren und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme Q1 bis Q6 in den jeweiligen Gruppen G1 bis G6 von Kanälen 4 auszugeben. Nach dem Erfassen einer tatsächlichen Temperatur und einer Abkühlrate durch die Temperatursensoren TC1 bis TC7, der Drücke und einem Druckabfall an den Drucksensoren P3 und P4, und/oder des Schalls am Schallsensor S1 erfolgt eine Zuordnung zu einem momentan vorliegenden Regelistwerts für Regelorgane (Ventile 11) zur Regelung der Volumenströme Q1 bis Q6. Parallel oder anschließend wird anhand des digitalen Modells der Fixtur 21 eine ideale Temperatur und eine Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück vorliegen müßten, um vordefinierte Werkstoffeigenschaften zu erreichen, ermittelt. Dies gemessenen Werte können anhand des digitalen Modells 22 des Werkstücks 2 validiert werden. Weiterhin kann das digitale Modell 22 dazu verwendet werden, aus den lediglich nahe am Werkstück 2 erfaßten Temperaturen die tatsächlichen Temperaturen am und im Werkstück zu berechnen. Daraus kann eine ideale Temperatur und eine Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück 2 vorliegen müßte, anhand eines Abgleichs und eines Vergleichs des digitalen Modells 21 mit der tatsächlichen Fixtur 1 erfolgen. Anschließend wird ein Regelsollwert für die Volumenströme Q1 bis Q7 (bzw. ein Einstellwert für die Ventile 11) basierend auf einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und einer idealen Temperatur eingestellt. Weiterhin können die von den Drucksensoren P1 bis P4 sowie die von den Schallsensor S1 gewonnenen Signale zur weiteren Detaillierung bzw. Präzisierung des aktuellen Zustands der Fixtur 1 und des darin befindlichen Werkstücks 2 herangezogen werden.
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Weiterhin ist in einer Steuereinrichtung 15 ein digitales Modell des Werkstücks 22 implementiert, wobei anhand der Signale eine aktuelle Temperaturverteilung und eine baldige Temperaturverteilung am Werkstück 2 antizipiert wird und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Kanälen 4 ausgegeben werden.
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In der Steuereinrichtung 15 läuft ein Verfahren zur Abkühlung bzw. zum Abschrecken eines in der Aufnahme 3 eingelegten Werkstücks 2 mit den in 3 dargestellten Schritten 101 bis 103 ab. Schritt 101 sieht das Erfassen eines stellenweise erhöhten oder verringerten Bedarfs einer Abkühlrate an einem in einer Aufnahme 3 der Fixtur 1 eingelegten Werkstück 2 vor. Schritt 102 sieht das Erstellen eines Regelsollwerts für Regelorgane 11, 17, 18 zur Regelung eines Volumenstroms Q1 bis Q6 in der Fixtur 1 vor. Schritt 103 sieht das Regeln der Volumenströme Q1 bis Q6 an Abschreckmedium in jeweils in der Aufnahme 3 endenden Kanälen 4 vor, jeweils einzeln oder nach Gruppen G1 bis G6 gebündelt, um während eines Abschreckvorganges die Abkühlrate an dem Werkstück 2 gezielt stellenweise entsprechend des erhöhten oder verringerten Bedarfs zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fixtur
- 2
- Werkstück
- 3
- Aufnahme
- 4
- Kanäle
- 5
- Dorn
- 6
- Niederhalter
- 7
- Außenseite
- 8
- Unterseite
- 9
- Oberseite
- 10
- Innenseite
- 11
- Ventil
- 12
- erste Versorgungskammer
- 13
- zweite Versorgungskammer
- 14
- Volumenstromsensor
- 15
- Steuereinrichtung
- 16
- Auslaß
- 17
- obere Ventilplatte
- 18
- untere Ventilplatte
- 19
- Bohrung
- 20
- Bohrung
- 21
- digitales Modell der Fixtur
- 22
- digitales Modell des Werkstücks
- A
- axiale Richtung
- G1
- erste Gruppe
- G2
- zweite Gruppe
- G3
- dritte Gruppe
- G4
- vierte Gruppe
- G5
- fünfte Gruppe
- G6
- sechste Gruppe
- Q1
- erster Volumenstrom
- Q2
- zweiter Volumenstrom
- Q3
- dritter Volumenstrom
- Q4
- vierter Volumenstrom
- Q5
- fünfter Volumenstrom
- Q6
- sechster Volumenstrom
- P1
- erster Drucksensor
- P2
- zweiter Drucksensor
- P3
- dritte Drucksensor
- P4
- vierter Drucksensor
- R
- radiale Richtung
- TC1
- erster Temperatursensor
- TC2
- zweiter Temperatursensor
- TC3
- dritter Temperatursensor
- TC4
- vierter Temperatursensor
- TC5
- fünfter Temperatursensor
- TC6
- sechster Temperatursensor
- TC7
- siebter Temperatursensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4004295 C2 [0002]
- DE 102009004125 A1 [0003]
- EP 2700725 A2 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Anders Olofson „Hardening Distortions of Serial Produced Gears“, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, 2017, ISBN 978-91-7729-449-8 [0006]
