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Die Erfindung bezieht sich auf eine Härtezelle zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere Getriebekomponenten unter Verwendung eines Mittels zum Erwärmen von Werkstücken und eines Mittels zum Härten von Werkstücken im Rahmen einer Abschreckprozedur. Diese Härtezelle umfasst eine Härtepresse, zur Bewerkstelligung einer Abschreckprozedur unter Spannung des Werkstücks sowie auch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Presshärteanlage.
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Die Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken ist aus dem Stand der Technik bekannt. Das bekannte Grundprinzip der Wärmebehandlung sieht vor, dass metallische Werkstücke erwärmt und im Anschluss daran durch Abschrecken gehärtet werden.
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Es ist insbesondere bei der Wärmebehandlung zahlreicher Werkstücke, beispielsweise bei einer Serienfertigung, etc. von großem Interesse, eine gleichbleibende Qualität der wärmebehandelten Werkstücke, mithin eine hohe Reproduktionsgenauigkeit zu erhalten.
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Der Erfindung liegt in diesem Zusammenhang die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, durch welche im Rahmen einer anlagen- und prozesstechnisch vorteilhaft abwickelbaren Wärmebehandlung hinsichtlich des Gefügeaufbaus und der Geometrie hochwertige Werkstücke effizient und mit hoher Reproduktionsgenauigkeit gefertigt werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Härtezelle, mit:
- - einem Härteofen,
- - einer Härtepresse,
- - einer Werkstückwascheinrichtung,
- - einer Werkstücksausgabeeinrichtung mit einem Ausgabebereich
- - einem Werkstückhandhabungssystem zur Verbringung der Werkstücke aus dem Härteofen in die Härtepresse und
- - einem Werkstückrückfördersystem, zur Verbringung der Werkstücke aus der Härtepresse zu dem Ausgabebereich,
- - wobei der Härteofen als Durchgangsofen ausgeführt ist,
- - das Werkstückrückfördersystem parallel zum Härteofen geführt ist und
- - die Werkstückwascheinrichtung in einem Zwischenbereich zwischen dem Ausgabebereich und der Härtepresse über das Werkstückrückfördersystem beschickbar ist.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Wärmebehandlungsanlage in Form einer Zelle zu realisieren die sich durch eine hohe Kompaktheit und interne Dichte einzelner Module auszeichnet. Die einzelnen Module sind räumlich eng verzahnt und orientieren sich an einem durch den Härteofen verlaufenden Werkstückförderweg. Über das Werkstückrückfördersystem können die aus der Härtepresse entnommenen Werkstücke unter geringem Verschmutzungseintrag in das von der Umgebung abgeschottete Gesamtsystem zunächst gereinigt und wieder vom Werkstückrückfördersystem aufgenommen und in gereinigtem Zustand innerhalb der Zelle weiter transferiert werden.
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Optional kann vorgesehen sein, dass die Härtezelle eine Werkstücksaufgabeeinrichtung umfasst.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Härtezelle kann vorgesehen sein, dass der Härteofen einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist und in einer dem Eingangsbereich vorgelagerten Zone ein Beschickungssystem vorgesehen ist. Das Beschickungssystem ermöglicht es, die Einbringung der Werkstücke mit einer definierten Zeitdauer und zu einem definierten Zeitpunkt vorzunehmen, so dass über den Eingabezeitpunkt in den Härteofen und die Verweilzeit der Werkstücke im Härteofen der Zeitpunkt der Bereitstellung eines aufgeheizten Werkstücks für den Abschreckprozess zuverlässig abgestimmt werden kann.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Härtezelle kann vorgesehen sein, dass über das Werkstückrückfördersystem ein Werkstücktransfer zwischen dem Werkstückhandhabungssystem und dem Beschickungssystem bewerkstelligbar ist. Hierdurch wird es möglich, über das Werkstückhandhabungssystem Werkstücke aus der Härtepresse auszuheben und in den Bereich des Beschickungssystems zu verbringen, so dass das Beschickungssystem auch ein Werkstückhandling der bereits abgeschreckten Werkstücke abwickeln kann. Zudem wird es möglich, über das Werkstückhandhabungssystem in bestimmten Betriebssituationen auch einen Werkstücktransfer an der Härtepresse vorbei vorzunehmen und grundsätzlich auch den Härteofen auch für Heizzwecke zu nutzen an welche sich kein Werkstück-Abschreckprozess anschließt.
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Möglich kann in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Härtezelle sein, dass in einem dem Eingangsbereich des Härteofens benachbarten Bereich der Härtezelle ein Werkstückspeicher vorgesehen ist. Dieser Werkstückspeicher kann zur Aufnahme von unbehandelten Werkstücken und insbesondere zur Temperierung derselben herangezogen werden. Der Werkstückspeicher kann auch zur Aufnahme behandelter Werkstücke herangezogen werden, wobei die Werkstückhandhabung durch das Beschickungssystem abgewickelt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem dem Eingangsbereich des Härteofens benachbarten Bereich der Härtezelle eine erste Kühlzelle vorgesehen ist. Diese Kühlzelle kann vorzugsweise durch das Beschickungssystem Be- und Entladen werden. Sie kann für behandlete und unbehandelte Werkstücke verwendet werden.
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Es kann zudem möglich sein, dass in einem dem Eingangsbereich des Härteofens benachbarten Bereich der Härtezelle weitere Kühlzellen vorgesehen sind. Diese Kühlzellen können hierbei jeweils hinsichtlich der darin herrschenden Kühltemperaturen unterschiedlich betrieben werden und die Bestückung kann so abgestimmt werden, dass die Kühlzellen für einen definierten Zeitraum geschlossen bleiben und eine Öffnung erst erfolgt, sobald eine sukzessive Entnahme der Werkstücke durch das Beschickungssystem abgewickelt wird. Die Kühlzellen können auch in ihrer Bauform und Innenaufteilung auf bestimmte Werkstücke und Werkstückträger abgestimmt sein. Möglich kann überdies sein, dass der Werkstückspeicher und/oder die Kühlzellen über das Beschickungssystem erreichbar sind. Hierdurch kann das Beschickungssystem über die Werkstückeingabe in den Härteofen hinaus in den zwischen den Beschickungsvorgängen liegenden Zeitabschnitten genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Härtezelle von einer Zellenwand umschlossen ist. Diese Zellwand kann zumindest abschnittsweise mit Fensterabschnitten versehen sein. Durch die Zellwand ergibt sich eine Abschottung der Innenstruktur der Härtezelle gegenüber der Umgebung und es kann innerhalt der Härtezelle ein definiertes Temperaturniveau in einem engen Toleranzbereich eingehalten werden. Es ist möglich, die Zelle so auszubilden, dass diese zumindest temporär oder im Bereich bestimmter innerer Abschnitte mit einer Schutzgasatmosphäre befüllt werden kann.
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Um beispielsweise eine Untersuchung wärmebehandelter Werkstücke vornehmen zu können, kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Härtezelle vorgesehen sein, dass an das Werkstückrückfördersystem eine Ausgabeschleuse angebunden ist und dass über diese Ausgabeschleuse eine Werkstückausschleusung aus der Härtezelle bewerkstelligbar ist. Die hierbei ausgeschleusten Werkstücke können einer Überprüfung, insbesondere einer Geometrie und Härtemessung unterzogen werden. Die Werkstücke könne vorzugsweise über diese Ausgabeschleuse auch wieder in die Zelle eingegeben werden. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Werkstückausschleusung nach dem Waschen in der Werkstückwascheinrichtung bewerkstelligbar ist.
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Die erfindungsgemäße Härtezelle dient der Durchführung eines ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere Getriebekomponenten, bei welchem aufgekohlte metallische Werkstücke in ein Mittel zum Erwärmen von Werkstücken eingeführt werden und darin erwärmt werden, wobei das Mittel zum Erwärmen von Werkstücken als Durchlaufofen ausgestaltet ist und wobei Werkstücke in den Durchlaufofen durch eine erste Öffnungseinrichtung eingebracht werden und durch eine von der ersten Öffnungseinrichtung beabstandete zweite Öffnungseinrichtung aus dem Durchlaufofen ausgebracht werden, wobei Werkstücke nach dem Ausbringen zum Härten in ein Mittel zum Härten eingeführt werden.
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Die erste Öffnungseinrichtung dient dem Freigeben oder Verschließen eines Ofeneingangsbereiches. Die zweite Öffnungseinrichtung dient dem Öffnen oder Verschließen eines Ofenausgangsbereiches. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des Einbringens der Werkstücke in den Härteofen über den Ofeneingangsbereich und das Hindurchfördern der Werkstücke durch einen Heizabschnitt des Härteofens zu dem Ofenausgangsbereich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise derart abgewickelt, dass wenigstens ein Werkstück in dem Heizabschnitt erwärmt wird während zumindest ein Werkstück in dem Ausgangsbereich warm gehalten wird. Das Verfahren kann zudem derart abgewickelt werden, dass im Eingabebereich ebenfalls eine Werkstückvorerwärmung bewerkstelligt wird. Hierdurch kann die Verweilzeit im Heizabschnitt reduziert werden.
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Weiterhin wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise im Heizabschnitt ein Unterdruck oder ein Vakuum eingestellt und beibehalten, während ein Werkstück aus dem Ofenausgangsbereich herausgeführt wird. Hierzu wird das Werkstück durch eine zwischen dem Heizabschnitt und dem Ofenausgangsbereich vorgesehene Schleuseneinrichtung geführt und der Druck im Ausgangsbereich abwechselnd abgesenkt und wieder an den Umgebungsdruck angeglichen. Die Werkstückvorerwärmung im Eingabebereich kann auf eine Temperatur begrenzt werden, bei welcher noch keine signifikante Reaktion der Werkstückoberfläche mit der Gasatmosphäre des Eingabebereiches erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zudem weiterhin vorzugsweise derart abgewickelt, dass im Heizabschnitt auch während des Einbringens eines Werkstückes in den Ofeneingangsbereich ein unter dem Umgebungsdruck liegender Druck, insbesondere ein Vakuum herrscht. Hierzu wird das Werkstück durch eine zwischen dem Ofeneingangsbereich und dem Heizabschnitt liegende Schleuseneinrichtung geführt. Der Druck in dem Ofeneingangsbereich wird ebenfalls abwechselnd abgesenkt und an den Umgebungsdruck angeglichen. Eine direkte Kommunikation des Heizabschnitts mit der Umgebung wird im Rahmen des Werkstückheizbetriebs der Härteanlage durch die Koordination des Öffnens und Schließens der Schleusen und der Öffnungseinrichtungen vermieden.
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Die Druckführung in den selektiv gegeneinander abschottbaren Abschnitten des Durchlaufofens, sowie die Temperaturführung in diesen Abschnitten wird nach Maßgabe einer abgestimmten Prozessführung geregelt oder zumindest gesteuert.
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Die zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung umfasst zumindest ein Mittel zum Erwärmen von Werkstücken und ferner zumindest ein Mittel zum Härten von Werkstücken, wobei:
- - das zumindest eine Mittel zum Erwärmen von Werkstücken als Durchlaufofen ausgebildet ist, durch welchen die Werkstücke in einer Durchlaufrichtung hindurchförderbar sind,
- - der Durchlaufofen einen Eingangsabschnitt, einen Heizabschnitt und einen Ausgangsabschnitt aufweist,
- - die Werkstücke über eine erste Öffnungseinrichtung in den Eingangsabschnitt einbringbar sind,
- - die Werkstücke über eine zweite Öffnungseinrichtung aus dem Ausgangsabschnitt ausbringbar sind,
- - der Ausgangsabschnitt eine Ausgabekammer umfasst und
- - die Ausgabekammer gegenüber dem Heizabschnitt und dem Mittel zum Härten des Werkstückes gesteuert verschließbar ist.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Übergabe der Werkstücke in die Abschreckeinrichtung von der Einbringung der Werkstücke in den Ofen und der ofeninternen Übergabe der Werkstücke in den Ausgangsabschnitt zeitlich zu entkoppeln und auf das Öffnen der zweiten Öffnungseinrichtung abzustimmen. Zudem fungiert der Ofen als Transportsystem durch welches die Erwärmung der Bauteile im Rahmen ihrer Verbringung zu dem Eingangsbereich des Abschreckmittels bewerkstelligt wird. Hierdurch ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise ein örtlicher Versatz einer für die Werkstückeinbringung herangezogenen dem Ofen vorgelagerten Kaltzone von einer dem Mittel zum Härten zugewandten Warmzone. Hierdurch ergibt sich eine Streckung einer unter Einschluss der erfindungsgemäßen Vorrichtung gebildeten Gesamtanlage.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es somit, die Abfolgeschritte des Erwärmens und Härtens aufeinander abzustimmen, wodurch eine gleichbleibende Qualität der entsprechend wärmebehandelten Werkstücke und damit eine hohe Reproduktionsgenauigkeit erreichbar sein können.
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Der Durchlaufofen ist vorzugsweise derart gestaltet, dass dieser zumindest eine Eingangskammer umfasst, die den Eingangsabschnitt bildet. Die Eingangskammer und die Ausgabekammer sind miteinander durch einen durch den Heizabschnitt hindurch verlaufenden Werkstücktransportweg gekoppelt.
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Die Förderung der Werkstücke durch den Durchlaufofen erfolgt vorzugsweise in Verbindung mit Werkstückträgern. Die Werkstücke sind vorzugsweise in Verbindung mit einem zugeordneten Werkstückträger in die Eingangskammer durch die erste Öffnungseinrichtung einbringbar. Die Förderung der Werkstücke auf dem Werkstücktransportweg erfolgt vorzugsweise durch eine Transportmechanik. Diese Transportmechanik kann derart gestaltet sein, dass diese die Werkstücke in Verbindung mit den Werkstückträgern fördert. Die Werkstücke sind durch die zweite Öffnungseinrichtung aus der Ausgabekammer ausbringbar. Die Werkstückträger werden vorzugsweise zum Eingangsabschnitt zurück gefördert. Der Heizabschnitt ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass in diesem Heizabschnitt mehrere Werkstücke in abfolgenden Stationen angeordnet werden können. Die Werkstücke können durch sukzessives Nachrücken der Werkstückträger durch den Heizabschnitt hindurch gefördert werden.
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Die Eingangskammer und die Ausgangskammer sind vorzugsweise derart gestaltet, dass diese jeweils nur ein Werkstück oder einen Werkstückträger mit einem oder mehreren darauf angeordneten Werkstücken aufnehmen. Die Werkstückträger können insbesondere aus einem keramischen oder warmfesten metallischen Werkstoff gefertigt sein. Die Werkstoffträger werden nach ihrem Ausgang aus der Ausgabekammer automatisiert gehandhabt. Im Rahmen dieser Handhabung erfolgt eine Reinigung derselben in Form einer Abblasung, Bebürstung und/oder Waschung. Es ist möglich die Werkstückträger in temperiertem Zustand zum Eingangsberiech des Durchlaufofens zurückzufördern und das Einbringen der Werkstücke oder des Werkstücks in den Durchlaufofen in Verbindung mit einem definiert vorgewärmten Werkstückträger zu bewerkstelligen.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine weitere Kammer vorgesehen. Diese weitere Kammer bildet vorzugsweise den Heizabschnitt. Die Kommunikation der weiteren Kammer mit der Eingabekammer und/oder mit der Ausgabekammer ist schaltbar herstellbar und unterbrechbar. Hierzu sind vorzugsweise Türen, Klappen oder Schieberstrukturen vorgesehen, welche den Heizabschnitt schaltbar von der in Werkstücktransportrichtung vorgelagerten Eingabekammer und der in Werkstücktransportrichtung nachgelagerten Ausgabekammer schaltbar abtrennen.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Durchlaufofen vorzugsweise als Vakuum-Durchlaufofen ausgebildet, wobei zumindest in der Eingabekammer und/oder in der Ausgabekammer und/oder in der zumindest einen weiteren Kammer ein Unterdruck anlegbar ist, wobei der Unterdruck vorzugsweise kammerspezifisch regelbar ist.
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In vorteilhafter Weise ist wenigstens ein Mittel zur Unterbrechung einer Kommunikation, insbesondere zum Verschließen wenigstens eines Abschnitts zwischen der Eingabekammer und Ausgabekammer und/oder zwischen der Eingabekammer und der zumindest einen weiteren Kammer und/oder zwischen der zumindest einen weiteren Kammer und der Ausgabekammer vorgesehen. Dieses Mittel zur Unterbrechung der Kommunikation kann insbesondere als Klappe, Türe, Schieber oder Schottwand ausgebildet sein, die selektiv in eine Freigabestellung und in eine Schließstellung bringbar ist. Der Stellungswechsel dieses Mittels kann in vorteilhafter Weise durch elektronisch angesteuerte Stellmittel bewerkstelligt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise wenigstens ein Mittel zum Einstellen zumindest einer Temperatur des Durchlaufofens, insbesondere eine Steuereinheit vorgesehen, mittels dem bzw. der Temperaturen kammerspezifisch individuell, vorzugsweise in der Eingabekammer und in der Ausgabekammer individuell einstellbar sind.
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Die Ausgabekammer kann in vorteilhafter Weise mit einer Heizeinrichtung versehen sein. Diese Heizeinrichtung wird vorzugsweise über eine Steuer- oder Regeleinrichtung betrieben. Die Ausgabekammer kann in vorteilhafter Weise derart gesteuert oder geregelt betrieben werden, dass diese ein vorzugsweise temperaturgeführtes Warmhalten des darin befindlichen Werkstücks im Vakuum ermöglicht. Weiterhin kann die Ausgabekammer derart betrieben werden, dass darin ein Warmhalten bei Umgebungsdruck oder vermindertem Vakuum erfolgt. Weiterhin kann der Werkstücktransfer von der Ausgabekammer zur Härtepresse derart abgewickelt werden, dass dieser entweder in atmosphärischer Umgebung oder im Vakuum erfolgt.
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Die Ausgabekammer bildet ein Schleusensystem durch welches Werkstücke aus dem Heizabschnitt ausgebracht werden können, ohne dass hierzu das im Heizabschnitt herrschende Vakuum beendet werden muss. Die Ausgabekammer fungiert zudem als Warmhalteabschnitt in welchem die Werkstücke weiterhin auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten werden können.
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Der Druck in der Ausgabekammer ist vorzugsweise ebenfalls nach Maßgabe einer Steuereinrichtung einstellbar. Die Ausgabekammer ist von dem Heizabschnitt durch eine Schließeinrichtung abtrennbar. Diese Schließeinrichtung und die Öffnungseinrichtung werden zeitlich versetzt betätigt. Im Regelbetrieb ist die Schließeinrichtung geschlossen, sie wird vorzugsweise nur zur Verbringung eines Werkstücks aus dem Heizabschnitt in die Ausgabekammer temporär geöffnet. Die Öffnungseinrichtung ist ebenfalls primär geschlossen und wird nur zur Ausbringung eines Werkstückes aus der Ausbringkammer temporär geöffnet. Die Öffnungseinrichtung wird im Regelbetrieb der Härtevorrichtung nur geöffnet, wenn die Schließeinrichtung geschlossen ist und damit der Innenbereich der Ausgabekammer von dem Innenbereich des Heizabschnitts abgeschottet ist. Im Rahmen der Warmhaltung des Werkstückes in der Ausgabekammer sind die zum Heizabschnitt weisende Schließeinrichtung und die nach außen weisende Öffnungseinrichtung geschlossen. Die zum Heizabschnitt weisende Schließeinrichtung gibt in Offenstellung einen Werkstückdurchgangsweg zwischen dem Heizabschnitt und der Ausgabekammer frei. In Schließstellung versperrt die Schließeinrichtung diesen Werkstückdurchgangsweg. Die Schließeinrichtung dichtet den Heizabschnitt und die Ausgabekammer gegeneinander atmosphärisch ab.
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Es ist möglich, in der Ausgabekammer möglichst lange einen Unterdruck einzustellen und erst kurz vor dem Öffnen der Öffnungseinrichtung einen Druckausgleich vorzunehmen. Dies ermöglicht es, die Einwirkung etwaiger nicht-inerter Gase auf das Werkstück und dabei insbesondere eine Verzunderung zu vermeiden.
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Das zumindest eine Mittel zum Härten der Werkstücke ist vorzugsweise so gestaltet, dass die in dieses eingebrachten Werkstücke darin mittels eines Fluides, vorzugsweise Öl, abschreckbar sind.
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Alternativ zu der oben genannten Maßnahme oder auch in Kombination hiermit kann das zumindest eine Mittel zum Härten der Werkstücke auch so gestaltet sein, dass die in dieses eingebrachten Werkstücke darin mittels eines gasförmigen Mediums abschreckbar sind.
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Das Mittel zum Härten ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung gestaltet in welcher das zum Abschrecken des Werkstücks vorgesehene Fluid aktiv zum Werkstück verbracht wird. In der Vorrichtung wird hierbei im Zusammenspiel mit dem Werkstück und einer dieses umhausenden und/oder in dieses eintauchenden Struktur ein Kanalsystem geschaffen und dieses Kanalsystem wird aktiv mit dem Abschreckmedium durchströmt. Die Durchströmung wird derart gesteuert, dass sich ein definierter Wärmemaustrag aus den umspülten Zonen des Werkstücks ergibt. Das Werkstück wird in der Abschreckvorrichtung vorzugsweise gespannt und/oder gestützt. Soweit das Werkstück gespannt wird, erfolgt die Beaufschlagung des Werkstücks in einem Zustand in welchem dieses unter Einbringung von Druckkräften eine Sollgeometrie einnimmt.
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Die Beaufschlagung mit dem Abschreckmedium kann derart gesteuert erfolgen, dass ein definierter Energieaustrag aus dem Werkstück erfolgt, bei welchem das Werkstück einen definierten thermischen Dehnungszustand einnimmt. In diesem definierten thermischen Zustand kann das Werkstück entlastet werden oder es können insbesondere Dornstrukturen aus dem Werkstück ausgefahren werden. Nach dieser Veränderung der Werkstückfixierung kann der Abschreckprozess in der Abschreckvorrichtung, das auch als Mittel zum Härten bezeichnet werden kann, fortgesetzt werden oder das Werkstück kann bereits in diesem Zustand aus der Härtevorrichtung, die gleichermaßen als Mittel zum Härten bzw. Abschreckvorrichtung bezeichnet werden kann, ausgebracht werden und einer anderweitigen Einrichtung zugeführt werden, in welcher ein weiterer hinsichtlich seiner zeitlichen Charakteristik definierter Wärmeaustrag aus dem Werkstück erfolgt.
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Das Abschrecken des Werkstücks in gespanntem Zustand kann in Intervallen erfolgen. Diese Intervalle können so abgestimmt werden, dass sich abfolgende Wiederaufheizungen ausgewählter und bereits abgeschreckter Zonen des Werkstücks ergeben. Diese erneut aufgeheizten Zonen können dann erneut mit dem Abschreckmedium beaufschlagt werden.
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Es können zeitlich abfolgend oder für unterschiedliche Werkstückzonen abgestimmt unterschiedliche Abschreckmedien aktiv auf das Werkstück geführt werden. So ist es möglich, im Rahmen eines ersten Abschreckschrittes ein reaktives Abschreckmedium auf das Werkstück zu führen, durch welches ein Oxydabtrag oder eine schichtbildende Reaktion mit dem Werkstück erfolgt. In einem nachfolgenden Schritt kann dann ein hinsichtlich seiner Zusammensetzung abweichendes Abschreck- oder Reaktionsmedium auf das Werkstück geführt werden.
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Die Abschreckvorrichtung ist so gestaltet, dass in dieser Einzelwerkstücke oder Werkstückgruppen einer Abschreckbehandlung unterzogen werden. Die Werkstücke oder das Werkstück werden in der Abschreckvorrichtung in einer definierten Position gehalten. Diese Position kann durch Aufnahmestrukturen und/oder durch das Einsetzen des Werkstücks in die Abschreckvorrichtung determiniert werden.
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Es ist möglich, neben der automatisierten Einbringung der Werkstücke in die Abschreckvorrichtung auch etwaige in die Vorrichtung einzusetzende Matrizen, Fixturen, Dorne, Umhausungsglocken oder Ventileinrichtungen ebenfalls automatisiert in die Abschreckvorrichtung einzusetzen. Die automatisierte Bestückung der Abschreckvorrichtung mit diesen Hilfseinrichtungen und die automatisierte Verbringung des Werkstücks in die Abschreckvorrichtung ermöglicht die Abwicklung der Wärmebehandlung eines Einzelwerkstücks unter Sicherstellung eines geforderten Gefügeaufbaus.
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Das System, also die erfindungsgemäße Vorrichtung umfassend Mittel zum Härten und Mittel zum Erwärmen von Werkstücken, eignet sich damit für die Behandlung unterschiedlicher Werksstücke in unterschiedlicher Losmenge einschließlich der Losmenge 1 in zeitlicher Abfolge. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch besonders hohe Flexibilität hinsichtlich zu behandelnder Werkstückzahlen und Werkstückgeometrien ermöglichen.
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Die Abschreckvorrichtung ist insbesondere als Härtepresse gestaltet. Die zum Aufbau der Pressspannung vorgesehenen Stempel werden vorzugsweise in vertikaler Richtung bewegt. Das Werkstück befindet sich während des Abschreckprozesses vorzugsweise auf oder über dem Niveau in dem es den Heizabschnitt des Durchlaufofens durchlaufen hat oder in dem es aus der Ausgabekammer abgegriffen wurde. Es wird damit das Abschreckmedium zum fixierten Werkstück verbracht und nicht das Werkstück zum Abschreckmedium.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise weiterhin zumindest eine Handhabungseinrichtung, mittels der Werkstücke aus dem Durchlaufofen, vorzugsweise aus der Ausgabekammer oder von einer der Ausgabekammer nachgeordneten Ablageeinrichtung in das zumindest eine Mittel zum Härten von Werkstücken überführbar sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet einen Bestandteil einer Baugruppe, die als Härtezelle fungiert. Die Härtezelle ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass diese jene Prozessschritte abdeckt, die zum Härten der Bauteile notwendig sind. Diese Prozessschritte des Härtens sind das Austenitisieren, das Abschrecken (vorzugsweise in Öl), das Waschen, Tieffrieren und Anlassen. Die Kombination aus Austenitisieren im Vakuum und Abschrecken in Öl wird innerhalb der Härtezelle unter Einbindung einer als Warmhaltekammer fungierenden Schleuse, die als Ausgabekammer aufgefasst und bezeichnet werden kann, eines Handhabungssystems und einer Härtepresse bewerkstelligt.
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Das Austenisitsieren erfolgt durch Erhitzen und Halten im Vakuum. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Prozess unter verminderter Partikelfreisetzung erfolgt und die Werkstückoberfläche in vermindertem Maße Reaktionsereignissen ausgesetzt ist. Die Erwärmung der Werkstücke erfolgt im Wege der Hindurchführung durch einen als Durchlaufofen gestalteten Ofen, der sich zwischen zwei Schleuseneinrichtung befindet. Die Werkstücke werden also von einem Eingangsschleusenbereich durch den Ofen entlang einer Durchlaufrichtung zu einem Ausgangsschleusenbereich transportiert. Die Öffnung der Schleuseneinrichtungen zum Ofeninneren hin erfolgt erst nach hinreichender Druckabsenkung in der jeweiligen Schleusenkammer.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, Einzelteile oder Kleinstlose effizient in enger zeitlicher Abfolge einer Härtebehandlung zu unterziehen. Durch die erfindungsgemäße Prozessführung können in vorteilhafter Weise die für die Werkstückverlagerung vom Austenitisierungsofen bis zum Beginn des Abschreckens anfallenden Transferzeiten mit hoher Genauigkeit reproduzierbar eingehalten und auch sehr kurz gehalten werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Konzept kann die den Ausschleusebereich bildende Ausgabekammer am Ende des Ofens, in welcher ein Druckausgleich an den Umgebungsdruck erfolgt als beheizbare Kammer ausgeführt sein, in welcher die Beheizung fortgesetzt werden kann um die im Durchlaufofen erreichte Werkstücktemperatur zu halten oder definiert einzustellen.
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Möglich kann auch sein, dass die Ausgabekammer als beheizbare Ausgabekammer ausgestaltet ist, die sowohl bei Atmosphärendruck als acu im Vakuum betreibbar sein kann.
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Durch das Bereithalten des aufgeheizten Werkstückes in einer vom Vakuumbereich des Durchlaufofens abgeschotteten Ausschleusekammer wird es möglich, den zeitlichen Ablauf des Abschreckprozesses auf den Ausgangszeitpunkt des Werkstücks aus der Ausschleuse- oder Druckangleichskammer abzustimmen. So beginnt der hinsichtlich seines zeitlichen Ablaufs überwachte Abschreckprozess bei Öffnung der Türe der als Druckangleichskammer fungierenden Ausgabekammer.
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Der Werkstücktransfer zwischen dem Durchlaufaustenitisierungsofen und der Härtepresse erfolgt gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung automatisiert. Hierdurch kann ein hinsichtlich der Werkstücktransferbahn und der zeitlichen Dynamik des Werkstücktransfers programmtechnisch definierter und reproduzierbarer Werkstücktransfer zwischen dem Durchgangsofen und der Presse sichergestellt werden. Das Öffnen der Klappen, Türen und Schotte und oder Schleusen am Anfang, am Ende und innerhalb des Durchlaufofens erfolgt in Verbindung mit einer Steuereinrichtung. Die Erwärmung der Werkstücke erfolgt derart, dass sich eine definierte zeitliche Erwärmung im Ofen und im Ausgangsbereich also der Ausschleuse- oder Ausgabekammer eine hohe Temperaturstabilität ergibt. Dies kann sich vorteilhaft in besonderem Maße auf eine gleichbleibende Qualität wärmebehandelter Werkstücke auswirken.
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Die Abschreckeinrichtung ist vorzugsweise als Ölabschreckeinrichtung, insbesondere in Form einer Dornhärtepresse zur Abschreckung mittels Öl ausgebildet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein kontrolliertes Verzugsverhalten sichergestellt. Alternativ hierzu, oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme kann auch ein Abschrecken in Gas erfolgen. So kann die erfindungsgemäße Anlage so ausgestaltet werden, dass diese eine Kombination von Vakuumaustenitisieren mit einem Gasabschreckprozess in der Härtepresse ermöglicht.
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Das Gasabschrecken kann fixturgestützt oder auch ungestützt erfolgen. Insbesondere ist es möglich, in der Härtepresse ein gezieltes Gasabschrecken durch numerisch gesteuerte Düsen vorzunehmen.
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Die Spannung des Werkstückes in der Härtepresse erfolgt vorzugsweise, indem das Werkstück in die Presse eingesetzt wird und ein Dorn vorzugsweise von unten in eine noch übergroße Bohrung des Werkstücks eingefahren wird. Von oben kann das Werkstück bzw. Bauteil abgedeckt werden. Beispielsweise kann möglich sein, dass sich von oben eine Haube über das Bauteil senkt. Nachfolgend wird Öl wiederum vorzugsweise von unten durch diese Anordnung gepresst.
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Möglich kann sein, dass der Ölfluss derart gesteuert wird, dass alle Bereiche des Bauteils bzw. Werkstücks trotz unterschiedlicher Dicke gleichmäßig abkühlen. Hierzu kann die Presse in vorteilhafter Weise mehrere, insbesondere zwei unterschiedliche Ölzuflüsse steuern. Die Härtepresse bietet Kanäle die unterschiedliche Fluiddurchsätze ermöglichen und diese Kanäle zur Zufuhr des Abschreckmediums können zeitlich gesteuert individuell geöffnet oder geschlossen werden.
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In vorteilhafter Weise kann möglich sein, dass auch der Dorn derart gestaltet ist, dass dieser Ölkanäle umfasst.
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Nach Beendigung des Abschreckprozesses in der Härtepresse können die Werkstücke nach hinreichender Abkühlung aus der Härtepresse ausgebracht und einer vorzugsweise mehrstufigen Waschbehandlung unterzogen werden.
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Es ist auch möglich, einen ersten Waschschritt noch innerhalb der Härtepresse vorzunehmen, indem durch Kanalumschaltung ein Waschmedium über die Kanäle zur Zufuhr des Abschreckmediums geführt wird. Dieses Waschmedium kann einer Separationsbehandlung unterzogen werden, durch welche abgewaschenes Abschreckmedium abgeschieden wird. Diese innerhalb der Härtepresse vorgenommene Vorreinigung kann auch in Verbindung mit einem gasförmigen Medium bewerkstelligt werden.
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Die gewaschenen Werkstücke werden vorzugsweise automatisiert zu einem vorzugsweise kombinierten Tiefkühler/Ofen transportiert. Über das Tiefkühlen wird die Umwandlung von Martensit weiter getrieben und die Struktur gefestigt. Das nachfolgende Anlassen entfernt dann restliche Eigenspannungen. Nach dieser thermischen Nachbehandlung ist die Werkstückbehandlung in dieser Anlage abgeschlossen und das Bauteil kann ausgegeben werden.
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Die erfindungsgemäße Härteanlage ist vorzugsweise in der Art einer abgeschotteten umhausten Zelle mit einem vorzugsweise länglich gestreckten Rechteckquerschnitt gestaltet.
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Der erfindungsgemäß eingesetzte Durchlaufofen kann sich in einer Ausgestaltung der Erfindung in Längsrichtung dieser Zelle erstrecken. Die Härtepresse kann sich in einem Längsendbereich dieser Zelle befinden. Der Werkstückspeicher kann sich im Bereich des der Härtepresse gegenüberliegenden Längsendbereich der Zelle befinden. In besonders vorteilhafter Weise kann eine sehr kompakte Zelle bereitgestellt werden.
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Eine Ausgestaltung kann vorsehen, dass innerhalb der Zelle ein Werkstückträgerkreislauf durch den Ofen hindurch und außerhalb des Ofens an diesem entlang zurück erfolgt.
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Möglich kann auch eine Anordnung des Mittels zum Erwärmen und des Mittels zum Härten in einer Zelle derart sein, dass eine Längserstreckung des Ausgangsbereichs des vorzugsweise als Durchlaufofen ausgestalteten Mittels zum Erwärmen in etwa parallel zu einer Längserstreckung einer Einführvorrichtung des Mittels zum Erwärmen angeordnet ist. So kann eine sehr kompakte Einheit aus Mittel zum Härten und Mittel zum Erwärmen von Werkstücken als Bestandteil einer Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Werkstücken bereitgestellt werden.
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Der vorliegenden Offenbarung kann auch ein System entnommen werden, das mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Vorrichtungen zum Wärmebehandeln von Werkstücken, insbesondere mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Mittel zum Erwärmen und Mittel zum Härten von Werkstücken umfasst.
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Die Wärmebehandlung des Werkstücks kann als sog. Batch-Prozess abgewickelt werden. Dieser Batch-Prozess ermöglicht eine Wärmebehandlung im Rahmen einer Einzelwerkstückbehandlung sowie eine unmittelbar abfolgende Behandlung unterschiedlicher Einzelwerkstücke. In der Härtepresse können in unmittelbarer Abfolge unterschiedliche für das jeweilige Werkstück spezifisch festgelegte Abschreckprozeduren abgearbeitet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Härteanlage derart aufgebaut, dass die Werkstücktransporte vor allem auch durch den Austenitisierungsofen hindurch weitgehend unabhängig von Bauteilgröße und Geometrie generisch erfolgen. Hierzu werden die Werkstücke vorzugsweise über Tabletts durch den Durchlaufofen hindurch geführt bzw. sind entsprechend hindurchführbar. So können auch mehrere und auch relativ kleine Werkstücke gruppiert zur Abarbeitung von Fremdaufträgen durch die als Zelle gestaltete Härteanlage geschleust werden.
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Die automatisierte Förderung der Werkstücke durch den Durchlaufofen in Verbindung mit Werkstücktransportpalletten oder Tabletts kann derart abgewickelt werden, dass innerhalb der Anlage ein Rücktransport der Palletten oder Tablets vom Ausgangsbereich des Durchlaufofens zum Eingangsbereich desselben erfolgt. Die erfindungsgemäße Härteanlage umfasst hierzu vorzugsweise ein Kreislauffördersystem zur Rückführung der Palletten, Tabletts oder Werkstückträger. Es können unterschiedlichste Werkstückträger in einem Trägerspeicher vorgehalten werden.
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Es ist auch möglich, die Einbringung der Werkstücke in die Härteanlage in Verbindung mit Werkstückträgern zu bewerkstelligen. Es ist auch möglich, die Werkstücke nach dem Ausgang aus der Waschstation wieder in die zur Einbringung in den Durchlaufofen vorgesehenen Werkstückträger, oder eben für die Werkstückausgabe vorgesehene Werkstückträger einzusetzen. Die Werkstückhandhabung innerhalb der als Bearbeitungszelle ausgestalteten Anlage erfolgt vorzugsweise in sämtlichen Stationen automatisiert, überwacht und dokumentiert durch Handhabungssysteme.
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In der erfindungsgemäßen Presshärteanlage werden Bauteile in der Heizkammer erwärmt während Bauteile in der Ausgabekammer warmgehalten werden. Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht damit die Abwicklung eines Presshärteverfahrens bei welchem wenigstens ein Werkstück in dem Heizabschnitt erwärmt wird, während zumindest ein Werkstück im Ausgangsbereich warmgehalten wird oder zur Härtepresse verbracht wird.
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Die Eingabekammer, der Heizabschnitt und der Ausgabeabschnitt umfassen Heizelemente die hinsichtlich der hierdurch in den Ofen eingebrachten Heizleistung steuerbar oder regelbar sind. Weiterhin sind im Eingabeabschnitt, im Heizabschnitt und im Ausgabeabschnitt Organe vorgesehen, zur Erfassung der Temperaturen in diesen Abschnitten. Der Heizabschnitt kann mehrere Zonen bilden, in welchen unterschiedliche Temperaturen oder Heizleistungen einstellbar sind. Die jeweiligen Kammern sind vorzugsweise unter Einbindung von elektrisch ansteuerbaren Ventilen mit einer Vakuumpumpe gekoppelt. Die Eingabekammer und die Ausgabekammer können ventil- und Leitungstechnisch derart gekoppelt werden, dass der in der entsprechenden Kammer vorhandene Unterdruck zur Gasabsaugung aus einer Kammer mit Umgebungsdruck verwendet wird. Es kann damit also vor dem Öffnen der Ausgabekammer diese mit der Eingabekammer über eine Leitung und eine Ventileinrichtung gekoppelt werden, so dass der noch in der Ausgabekammer herrschende Unterdruck zur Teildruckabsenkung in der soeben mit einem Werkstück beschickten und nunmehr abgeschlossenen Eingabekammer verwendet wird. Nach diesem energetisch vorteilhaft realisiertem Druckabbau kann dann die Ausgabekammer weiter belüftet und bei Umgebungsdruck geöffnet werden.
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Die Prozesskammer ist vorzugsweise mit drei Regelzonen ausgerüstet. Hierdurch wird eine besondere Gleichmäßigkeit im Arbeitsbereich gewährleistet. Ebenfalls sind in diesem Teil des Ofengehäuses zusätzlich Durchführungen für das Erreichen der Messpunkte zur TUS Prüfung vorgesehen. Hierdurch können insbesondere periodische Überprüfungen der Werkstücke aufwandsarm durchgeführt werden.
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Die beheizte Ausgabe- oder Ausschleusekammer ist mit einer separaten Regelzone ausgerüstet. Diese Prozesskammer ist an die Kammer des Heizabschnittes angeflanscht. Auch die Ausgabekammer ist mit Durchführungen zum Erreichen der Messpunkte versehen.
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Die Kammerteile, vorzugsweise alle Kammerteile, insbesondere dabei auch die ggf. unbeheizte Einschleusekammer sind vorzugsweise mit Vakuum- und Druckmessköpfen ausgerüstet und ermöglichen eine Überwachung und Aufzeichnung der Drücke unter Zuordnung zum jeweiligen Werkstück.
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Die Sensorik der Anlage ermöglicht eine automatisierte, werkstückspezifische Prozessdokumentation. Die erfindungsgemäße Härteanlage kominiert einen als Durchlaufvakuumofen gestalteten Ofen mit einer Ausschleusekammer mit einer stationären Härtepresse für das Austenitisieren der Bauteile. Die Ausschleusekammer ist beheizbar ausgeführt, damit die Bauteile beim Atmosphärenwechsel ein definiertes Temperaturniveau beibehalten.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
- 1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken unter Einsatz eines Durchlaufofens und einer Härtepresse;
- 2 eine weitere Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer als Härtezelle aufgebauten erfindungsgemäßen Härteanlage;
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des nach Maßgabe einer Steuereinrichtung abgewickelten erfindungsgemäßen Ablaufs zur Wärmebehandlung von Werkstücken in der Vorrichtung nach 1;
- 4 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Einbettung des als Durchlaufofens gestalteten Ofens zwischen eine Eingangsschleusenkammer und eine Ausgangsschleusenkammer, sowie zwischen zwei Werkstücktransfersysteme.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Härtezelle CW mit einem Härteofen TK, einer Härtepresse PQ, einer Werkstückwascheinrichtung 7, einem Werkstückhandhabungssystem TS zur Verbringung der Werkstücke aus dem Härteofen TK in die Härtepresse PQ und einem Werkstückrückfördersystem WPH, zur Verbringung der Werkstücke aus der Härtepresse PQ zu einem Ausgabebereich 9a gezeigt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist optional eine nicht näher dargestellte Werkstücksaufgabeeinrichtung vorgesehen.
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Der Härteofen TK ist als Durchgangsofen ausgeführt. Das Werkstückrückfördersystem WPH ist parallel zum Härteofen TK geführt und die Werkstückwascheinrichtung 7 ist in einem Zwischenbereich zwischen dem Ausgabebereich 9a und der Härtepresse PQ über das Werkstückrückfördersystem WPH beschickbar.
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Der Härteofen TK weist einen Eingangsbereich TKI und einen Ausgangsbereich TKO auf und in einer dem Eingangsbereich TKI vorgelagerten Zone ist ein Beschickungssystem LS vorgesehen.
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Über das Werkstückrückfördersystem WPH ist ein Werkstücktransfer zwischen dem Werkstückhandhabungssystem TS und dem Beschickungssystem LS bewerkstelligbar.
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In einem dem Eingangsbereich TKI des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW ist ein Werkstückspeicher WPB1, WPB2 vorgesehen.
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In einem dem Eingangsbereich TKI des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW ist eine erste Kühlzelle 10 vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel sind in einem dem Eingangsbereich des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW weitere Kühlzellen 11, 12, 13 vorgesehen.
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Werkstückspeicher WPB1, WPB2 und Kühlzellen 10, 11, 12, 13 sind über das Beschickungssystem LS erreichbar.
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Die Härtezelle CW ist von einer Zellenwand CW2 umschlossen.
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An das Werkstückrückfördersystem WPH ist eine Ausgabeschleuse 8 angebunden ist. Über diese Ausgabeschleuse 8 ist eine Werkstückausschleusung aus der Härtezelle CW bewerkstelligbar ist.
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Die Darstellung nach 1 veranschaulicht den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere Getriebekomponenten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zumindest ein Mittel TK zum Erwärmen von Werkstücken WP. Zudem umfasst die Vorrichtung ferner zumindest ein Mittel PQ zum Härten von Werkstücken, wobei das zumindest eine Mittel TK zum Erwärmen von Werkstücken WP als Durchlaufofen ausgebildet ist, der von den Werkstücken WP in einer Durchlaufrichtung DTK durchwandert wird, wobei der Durchlaufofen einen Eingangsabschnitt TKI, einen Heizabschnitt TKH und einen Ausgangsabschnitt TKO aufweist, wobei in den Eingangsabschnitt TKI die Werkstücke über eine erste Öffnungseinrichtung 1 einbringbar sind, wobei aus dem Ausgangsabschnitt TKO die Werkstücke über eine zweite Öffnungseinrichtung 2 ausbringbar sind und sowohl der Eingangsabschnitt TKI als auch der Ausgangsabschnitt TKO gegenüber dem Heizabschnitt TKH temporär abschottbar sind.
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Durch diesen Aufbau wird es möglich, die Erwärmung der Bauteile WP im Rahmen ihrer Verbringung zu der Abschreckeinrichtung PQ zu bewerkstelligen, wobei die Übergabe der Werkstücke WP in die Abschreckeinrichtung PQ von der Einbringung der Werkstücke WP in den Heizabschnitt TKH und der ofeninternen Übergabe der Werkstücke WP in den Ausgangsabschnitt TKO zeitlich entkoppelt und auf das Öffnen der zweiten Öffnungseinrichtung 2 abgestimmt werden kann.
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Der Durchlaufofen TK ist hier derart gestaltet, dass dieser zumindest eine Eingabekammer C1 umfasst, die den Eingangsabschnitt TKI bildet, und zumindest eine Ausgabekammer C2 umfasst, die den Ausgangsabschnitt TKO bildet, wobei diese beiden Kammern C1, C2 miteinander durch einen durch den Heizabschnitt TKH hindurch verlaufenden Werkstücktransportweg W gekoppelt sind. Die Werkstücke WP sind dabei in die Eingabekammer C1 durch die erste Öffnungseinrichtung 1 einbringbar. Weiterhin sind die Werkstücke WP durch die zweite Öffnungseinrichtung 2 aus der Ausgabekammer C2 ausbringbar.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine weitere Kammer C3 vorgesehen, wobei diese weitere Kammer C3 hier den Heizabschnitt TKH bildet durch welchen die Eingabekammer C1 mit der Ausgabekammer C2 kommuniziert.
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Der Durchlaufofen TK ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Vakuum-Durchlaufofen ausgebildet, wobei zumindest in der Eingabekammer C1 und/oder in der Ausgabekammer C2 und/oder in der zumindest einen weiteren Kammer C3 ein Unterdruck anlegbar ist. Dieser Unterdruck ist kammerspezifisch regelbar und wird vor dem Öffnen der Öffnungen 1, 2 auf Umgebungsdruck eingestellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Mittel 3 zur Unterbrechung einer Kommunikation, insbesondere zum Verschließen wenigstens eines Abschnitts zwischen der ersten Kammer C1 und dem Heizabschnitt TKH vorgesehen. Weiterhin ist ein Mittel 4 zwischen der zweiten Kammer C2 und dem Heizabschnitt TKH vorgesehen. Diese Mittel 3,4 zur Unterbrechung der Kommunikation mit der Kammer C3 können insbesondere als Klappe, Türe, Schieber oder Schottwand ausgebildet sein, die in eine Freigabestellung und in eine Schließstellung bringbar ist. Der Stellungswechsel dieses Mittels 3, 4 kann in vorteilhafter Weise durch elektronisch angesteuerte Stellmittel und/oder Stelltriebe bewerkstelligt werden.
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Bei der dargestellten Vorrichtung ist wenigstens ein Mittel 5 zum Einstellen zumindest einer Temperatur des Durchlaufofens TK, insbesondere eine Steuereinheit CPU vorhanden, mittels dem bzw. der Temperaturen T1, T2, T3 kammerspezifisch individuell, vorzugsweise in der Ausgabekammer C2 und in der zumindest dritten Kammer C3 individuell einstellbar sind.
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Das zumindest eine Mittel PQ zum Härten der Werkstücke WP ist hier derart gestaltet, dass die in dieses eingebrachten Werkstücke WP darin mittels eines Fluides, vorzugsweise Öl oder Gas, abschreckbar sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hier eine Handhabungseinrichtung TS mittels der Werkstücke WP aus dem Durchlaufofen TK, d.h. aus der Ausgabekammer C2 oder von einer der Ausgabekammer C2 nachgeordneten Ablageeinrichtung in das zumindest eine Mittel PQ zum Härten der Werkstücke WP überführbar sind. Die Handhabungseinrichtung TS kann durch einen Roboterarm oder ein Portalsystem gebildet sein.
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Die Steuervorrichtung CPU dient der Steuerung eines Wärmebehandlungsprozesses von vorzugsweise metallischen Werkstücken. Im Rahmen dieses Wärmebehandlungsprozesses werden vorzugsweise aufgekohlte Werkstücke durch eine erste Öffnungseinrichtung 1 in Kammern C1, C2, C3 eines Mittels TK zum Erwärmen von Werkstücken auf eine vorgegebene Temperatur eingebracht und dort erwärmt. Nach Erwärmen werden die Werkstücke WP durch eine zweite Öffnungseinrichtung 2, die von der ersten Öffnungseinrichtung 1 verschieden ist, aus einer Ausgabekammer C2 ausgebracht und zu einem Mittel zum Härten von Werkstücken transportiert und durch diese abgeschreckt. Die Steuereinrichtung steuert auch die Drücke in den Kammern C1, C2, C3. Der durch die Steuereinrichtung CPU gesteuerte Verfahrensablauf wird in Verbindung mit 3 weiter erläutert.
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Der Durchlaufofen TK stellt mehrere Heizzonen Z1, Z2, Z3, AK zur Verfügung. Der Durchlaufofen TK stellt mehrere Heizzonen Z1, ZTK, AK zur Verfügung. Die Heizzone des Heizabschnittes ZTK ist in weitere Zonen Z2, Z3 untergliedert.
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Die Temperatur in diesen Zonen kann nach Maßgabe der Steuereinheit CPU gesteuert werden. Der Heizabschnitt TKH ist so aufgebaut, dass dieser mehrere Heizzonen Z2, Z3 definiert in welchen in einem hinreichenden Ausmaß unterschiedliche Temperaturen und Heizleistungen einstellbar sind. Sowohl der Eingabebereich TKI, Der Heizabschnitt TKH und der Ausgabebereich TKO sind so gestaltet, dass diese Messpunkte TUS bereitstellen zur Erfassung, Überwachung und Dokumentation der Werkstückaufheizung. Auch die Drücke in den Kammern C1, C2, C3 werden gemessen und protokolliert. Die Drücke in diesen Kammern sind über eine Vakuumpumpe VP unter den Umgebungsdruck absenkbar. Die Kammern C1, C2, C3 sind über ein Leitungssystem und darin vorgesehene elektrisch ansteuerbare Ventile miteinander gekoppelt. Über das Leitungssystem können die Kammern C1, C2, C3 temporär miteinander kommunizieren, so dass im Rahmen einer Teilbelüftung einer Kammer C1, C2 eine entsprechend gegenphasige Teilentlüftung der anderen Kammer C2, C1 bewerkstelligt werden kann.
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Die Darstellung nach 2 zeigt eine unter Einschluss der Vorrichtung nach 1 aufgebaute und als Zelle gestalteten Presshärteanlage. Diese Presshärteanlage umfasst einen Härteofen TK, eine Ausgabeschleuse TKO, zur Ausgabe von Werkstücken WP aus dem Härteofen TK und eine Härtepresse PQ, zum Spannen eines Werkstücks WP und zur Bewerkstelligung eines Abschreckvorganges des Werkstücks WP in gespanntem Zustand.
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Bei der dargestellten Presshärteanlage ist in einem Zwischenbereich zwischen der als Ausgabeschleuse fungierenden Abgabekammer TKO und der Härtepresse PQ ein Handhabungssystem TS vorgesehen. Dieses Handhabungssystem TS wird derart betrieben, dass sich für die Verbringung des Werkstücks WP aus der Ausgabeschleuse in die Härtepresse PQ ein programmtechnisch gesichertes zeitliches Temperaturprofil des Werkstückes WP ergibt.
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Der Härteofen TK ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel als Vakuumofen ausgeführt, zum Aufheizen eines Werkstückes WP in einer sauerstoffarmen Umgebung. Weiterhin ist der Härteofen TK als Durchgangsofen ausgeführt. Die Werkstückhandhabung zwischen dem Härteofen TK und der Härtepresse PQ wird hier derart bewerkstelligt, dass das Werkstück WP nach dem Ausgang aus der Öffnungseinrichtung 2 der Ausgabeschleuse TKO quer zur Durchlaufrichtung DTK durch den Härteofen TK in die Härtepresse PQ geführt wird. Der Härteofen TK und die Härtepresse PQ sind hierzu hinsichtlich des Werkstücklaufes durch das Transfersystem TS über Eck gekoppelt. Der Verbringungsvorgang der Werkstücke aus WP aus der Ausgabeschleuse TKO des Härteofens TK zu der Härtepresse PQ und der Abschreckprozess in der Härtepresse PQ erfolgen ablauftechnisch zeitlich gekoppelt. Das Verbringen des Werkstücks aus der Ausgabekammer TKO in die Härtepresse PQ wird als thermisch relevanter Teilschritt des Abschreckprozesses gehandhabt.
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Bei der dargestellten Presshärteanlage ist ein Werkstücktransfersystem WPH1, WPH2 vorgesehen, das sich entlang des Härteofens TK zwischen einem Ausgabebereich der Härtepresse PQ und einer Eingangsöffnung 1 der Eingangsschleuse TK1 des Härteofens TK erstreckt. Das Werkstücktransfersystem WPH1, WPH2 umfasst mehrere verkettete Fördermodule. Über ein erstes Modul des Werkstücktransfersystems WPH1 ist eine Nachkühlungsstation 6, eine Waschstation 7 und/oder eine Prüfstation 8 mit Werkstücken beschickbar. Über ein zweites Modul des Werkstücktransfersystems ist eine Rückführung des jeweiligen Werkstücks in den Eingangsbereich der Zelle CW bewerkstelligbar. Von dort aus können die gehärteten und gewaschenen Werkstücke in die Kühlzellen 10... 13 verbracht werden. Die Presshärteanlage ist derart gestaltet, dass im Bereich der Prüfstation 8 darin befindliche Werkstücke WP aus der Presshärteanlage entnehmbar sind.
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Die Presshärteanlage kann so gestaltet sein, dass die Presshärtung der Werkstücke unter Einsatz einer Matrizeneinrichtung erfolgt. Diese Matrizeneinrichtung dient der Aufnahme des Werkstückes und der Bereitstellung von das Werkstück stützenden Wandungsabschnitten. In der Härtepresse PQ kann das Abschreckmedium im Zusammenspiel mit der Matrizeneinrichtung durch Ventileinrichtungen gesteuert auf das Werkstück geführt werden. Soweit die Werkstückabstützung unter Einsatz eines Kernes oder Dornes erfolgt, ist es möglich, den Abschreckprozess so abzuwickeln, dass durch diesen keine vollständige Werkstückabkühlung erfolgt. Nach dieser Teilabkühlung können aus dem dann noch immer thermisch gedehnten Werkstück die stützenden Strukturen wie Dorne, Kerne, oder Matrizen abgezogen werden. Dann erfolgt eine weitere Abkühlung. Diese kann auch außerhalb der Härtepresse beispielsweise in einem Bad erfolgen.
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In der Vorrichtung nach 1, sowie in der Presshärteanlage nach 2 ist ein Handhabungssystem TS vorgesehen. Dieses Handhabungssystem TS ist in einem Zwischenbereich zwischen der Ausgabekammer TKO und der Härtepresse PQ angeordnet. Dieses Handhabungssystem TS wird derart betrieben, dass sich für die Verbringung des Werkstücks WP aus der Ausgabekammer TKO in die Härtepresse PQ ein programmtechnisch gesicherter zeitlicher Bewegungsablauf für den Transfer des Werkstückes WP ergibt.
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Das Handhabungssystem ist in Verbindung mit einer entsprechenden Steuereinrichtung derart konfiguriert, dass der Verbringungsprozess und der Abschreckprozess ablauftechnisch zeitlich gekoppelt sind. Der Verbringungsvorgang kann mit einem Bereitschaftssignal der Härtepresse PQ aktiviert werden oder nur in einem Bereitschaftszustand PQ der Härtepresse veranlassbar sein. Weiterhin kann ein den Abschluss des Transfervorganges des Werkstückes WP in die Presse PQ bestätigendes Signal den Presshärtungsvorgang starten. Das Handhabungssystem TS befindet sich in einer Härtezelle CW, welche den Härteofen TK und die Härtepresse PQ beherbergt. Die Härtezelle CW ist als Rechteckquaderstruktur gestaltet, der Ofen erstreckt sich in Längsrichtung dieser Quaderstruktur. Die Härtepresse befindet sich in einem Längsendbereich.
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Der durch das Handhabungssystem TS abgewickelte Werkstück-Transfervorgang wird überwacht und hinsichtlich seines zeitlichen Ablaufes dokumentiert. Hierzu kann insbesondere das thermische Zeitprofil des Werkstücks messtechnisch erfasst und aufgezeichnet werden.
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Die Darstellung nach 2 zeigt insgesamt auch den Aufbau einer Härtezelle, mit dem Härteofen TK, der Härtepresse PQ, einer Werkstückwascheinrichtung 7 und dem Werkstückhandhabungssystem TS zur Verbringung der Werkstücke aus dem Härteofen TK in die Härtepresse PQ. Die Härtezelle CW beinhaltet ein Werkstückrückfördersystem WPH, zur Verbringung der Werkstücke WP aus der Härtepresse PQ zu einem Ein- und Ausgabebereich 9, 9a. Der Härteofen TK ist als Durchgangsofen ausgeführt. Das Werkstückrückfördersystem WPH ist parallel zum Härteofen TK geführt. Die Werkstückwascheinrichtung 7 ist in einem Zwischenbereich zwischen dem Werkstückausgabebereich 9a und der Härtepresse PQ angeordnet und über das Werkstückrückfördersystem WPH beschickbar.
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Der Härteofen TK weist eine Eingangsschleuse TKI und eine Ausgangsschleuse TKO auf. In einer der Eingangsschleuse TKI vorgelagerten Zone ist ein Beschickungssystem LS vorgesehen. Über das Werkstückrückfördersystem WPH1, WPH2 ist ein Werkstücktransfer zwischen der Presse PQ und dem Beschickungssystem LS bewerkstelligbar. In einem dem Eingangsbereich oder der Eingangsschleuse TKI des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW ist ein Werkstückspeicher WPB1, WPB2 vorgesehen. Weiterhin ist in einem dem Eingangsbereich TKI des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW eine erste Kühlzelle 10 vorgesehen. In einem dem Eingangsbereich TKI des Härteofens TK benachbarten Bereich der Härtezelle CW sind weitere Kühlzellen 11, 12, 13 vorgesehen. Der Werkstückspeicher WPB1, WPB2 und/oder die Kühlzellen 10, 11, 12, 13 sind über das Beschickungssystem LS erreichbar, so dass aus diesen Modulen Werkstücke WP durch das Beschickungssystem entnehmbar und in diese Module einbringbar sind.
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Die Kühlzellen 10..13 können auch mit Heizeinrichtungen ausgestattet sein, so dass über diese Zellen auch ein Anlassprozess abwickelbar ist.
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Die Härtezelle CW ist von einer Zellenwand CW2 umschlossen. Das Werkstückrückfördersystem WPH ist an eine Ausgabeschleuse 8 angebunden. Über diese Ausgabeschleuse 8 ist eine Werkstückausschleusung aus der Härtezelle CW zur Bewerkstelligung einer Werkstückprüfung bewerkstelligbar. Über die Ausgabeschleuse können geprüfte Werkstücke WP auch wieder in die Anlage zurückgegeben werden um beispielsweise in die Kühlzellen-Module 10..13 eingesetzt zu werden.
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Die Steuerung des Betriebs der Härtezelle erfolgt durch eine Steuereinrichtung CPU (vgl. 1) die hier beispielhaft in zwei signaltechnisch gekoppelte Module CE, CP1 untergliedert ist, wobei das Modul CE primär für das Werkstückhandling im Eingangsbereich des Härteofens TK herangezogen wird und das Modul CP1 den Werkstückfluss im Härteofen TK, das Transfersystem TS und die Härtepresse PQ steuert. Es werden damit alle für die Handhabung des Werkstücks WP ab Eingang in den Härteofen TK bis zum Abschluss des Härteprozesses relevante Steueraufgaben, einschließlich der Temperatursteuerung des Härteofens TK durch das Steuermodul CP1 koordiniert. Das Steuermodul CP1 übernimmt damit das „Hot-Handling“ und das Steuermodul CE das „Cold-Handling“. Die Prozesse im „Hot-Handling werden werkstückspezifisch dokumentiert. Für das „Cold-Handling“ erfolgt eine Dokumentation lediglich im Hinblick auf die Störungsfreiheit des Handlingprozesses. Die über das Modul CE abgewickelte Cold-Handling Steuerung umfasst auch die Werkstückhandhabung nach Ausgang aus der Härtepresse PQ. Etwaige Daten zur thermischen Werkstücknachbehandlung, insbesondere Kühlen und erneutes Anlassen, können wieder dem Modul CP1 zugeführt werden.
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Die Darstellung nach 3 zeigt schematisch eine Steuereinrichtung CPU und ein Flussdiagramm eines durch diese Steuereinrichtung abgearbeiteten Prozesses. Die Steuereinrichtung CPU steuert den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bewerkstelligung eines Presshärtungsprozesses, bei welchem im Rahmen eines Temperierungsschrittes Werkstücke in einem Härteofen erwärmt und im Rahmen eines Abschreckschrittes in einer Härtepresse abgeschreckt werden. Die Steuereinrichtung CPU ist hier beispielhaft über ein Bus-System mit den Schaltorganen der gesteuerten Komponenten der Härteanlage gekoppelt. Der hier verwendete Begriff des Steuerns umfasst im Kontext der vorliegenden Beschreibung auch das Regeln, die Steuereinrichtung kann insoweit eine Regeleinrichtung darstellen, und Stellgrößen unter Berücksichtigung von zurückgeführten Signalen, insbesondere hinsichtlich Druck, Temperatur, Werkstückposition und dynamisch einstellen.
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Gemäß dem durch Konfiguration der Steuereinrichtung CPU durch diese abgewickelten Anlagenbetriebsverfahren wird im Rahmen des Schrittes S1 ein Werkstück WP durch die Handhabungseinrichtung aus dem Werkstückvorhaltelager WPB1 aufgegriffen und in einen der ersten Öffnungseinrichtung 1 vorgelagerten Bereich verbracht. Im Schritt S2 wird in einem Systemzustand in welchem die Sperrwand 3 geschlossen ist der Druck in der Kammer C1 an den Umgebungsdruck angeglichen. Im Schritt S3 wird die Öffnungseinrichtung 1 geöffnet. Im Schritt S4 wird das Werkstück WP in die Eingangskammer C1 eingebracht. Im Schritt S5 wird die Öffnungseinrichtung 1 geschlossen.
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Im Schritt S6 wird der Druck in der Kammer C1 auf den Innendruck in der dritten Kammer C3 abgesenkt. Im Schritt S7 wird die Sperrwand 3 geöffnet. Im Schritt S8 wird das Werkstück in Durchlaufrichtung des Ofens TK in die dritte Kammer C3 gefördert. Im Schritt S9 wird die Sperrwand 3 geschlossen.
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In den Schritten S10 bis S15 wird das Werkstück durch in Durchlaufrichtung DTK abfolgende Zonen oder Stationen des Ofens TK gefördert und in diesen Zonen definiert aufgeheizt. In der Kammer C3 herrscht ein definierter Unterdruck der über eine hier nicht weiter beschriebene Steuerroutine eingestellt und aufrechterhalten wird.
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Sobald sich das Werkstück WP in einem geforderten thermischen Zustand in der letzten der Sperrwand 4 vorgelagerten Zone der Kammer C3 befindet wird im Schritt S16 in der Ausgabekammer C2 der Druck auf den Innendruck der Kammer C3 abgesenkt. Im Schritt S17 wird die Sperrwand 4 geöffnet und das Werkstück WP in die den Ausschleuseabschnitt TKO bildende Ausgabekammer C2 verbracht. Die Sperrwand 4 wird im Schritt S18 geschlossen. Im Schritt S19 wird der Druck in der Kammer C2 auf Umgebungsdruckniveau erhöht. Die Druckerhöhung kann bewerkstelligt werden, indem der Druckausgleich durch Zufuhr eines inerten Gases in die Kammer C2 bewerkstelligt wird. Im Schritt S20 wird die Temperatur in der Ausgabekammer C2 auf eine Werkstückhaltetemperatur eingestellt. Im Schritt S21 wird abgefragt, ob sich das Transfersystem TS und die Härtepresse PQ in einem zur Abarbeitung des Abschreckvorganges geeigneten Bereitschaftszustand befinden.
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Im Schritt S22 wird der Abschreckvorgang aktiviert. Hierzu wird im Schritt Q1 die Öffnungseinrichtung 2 geöffnet. Im Schritt Q2 greift das Transfersystem TS das Werkstück WP aus der Kammer C2 ab und transferiert dieses auf einer definierten Bahn mit einem definierten Geschwindigkeitsprofil in die Härtepresse PQ. Im Schritt Q3 spannt die Härtepresse PQ das eingesetzte Werkstück. Im Schritt Q4 erfolgt die Beaufschlagung des gespannten Werkstücks mit einem Abschreckmedium.
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Die Schritte Q1 bis Q4 bilden eine Prozessschrittgruppe, die in einem programmtechnisch definierten zeitlichen Rahmen abgearbeitet wird. Das Freigeben des Werkstücks WP in der Kammer C2 und der Transfervorgang des Werkstücks WP in die Härtepresse PQ bilden Teil des Abschreckprozesses der werkstückspezifisch parametrisiert abgewickelt wird. Das Handhabungssystem TS wird hierbei derart betrieben, dass sich für die Verbringung des Werkstücks WP aus der Ausgabeeinrichtung TKO in die Härtepresse PQ ein programmtechnisch gesichertes zeitliches Temperaturprofil des Werkstückes WP sowie auch eine programmtechnisch gesicherte zeitliche Gaskontaktierung des Werkstückes WP ergibt. Der mit dem Öffnen der Öffnungseinrichtung 2 beginnende Verbringungsvorgang kann nur in Verbindung mit einem Bereitschaftssignal der Härtepresse abgewickelt werden. Es gibt insoweit keine außerhalb des definierten Ablaufs anfallende Wartezeit oder Prozesszeitstreckung.
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Im Anschluss an die Presshärteschrittfolge Q1...Q4 wird die Härtepresse PQ im Schritt S23 geöffnet und das Werkstück im Schritt S24 aus der Härtepresse PQ entnommen.
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Im Schritt S25 wird das Werkstück in einen Werkstückträger eingesetzt und im Schritt S26 einer Waschstation zugeführt.
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Nach dem erfindungsgemäß durch die Steuereinrichtung CPU veranlassten Anlagenbetrieb erfolgt das Öffnen der Öffnungseinrichtung 2 und der Aufgriff des Werkstückes in dem Ausgangsbereich TKO des Härteofens wenn das Werkstück einen definierten thermischen Zustand erlangt hat und das Transfersystem und die Härtepresse in einem Bereitschaftszustand sind. Die Prozessschrittgruppe Q1..Q4 nimmt mit dem Öffnen der Öffnungseinrichtung 2 ihren Lauf.
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Im Rahmen der Mediumbeaufschlagung des Werkstückes WP in der Härtepresse PQ erfolgt in dem Schritt Q4 eine programmtechnisch definierte und durch Stellmittel abgestimmte Beaufschlagung des Werkstückes mit einem Abschreckmedium.
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Die Erwärmung der Werkstücke im Rahmen des Durchlaufs durch den Härteofen UND wird messtechnisch erfasst und werkstückspezifisch aufgezeichnet und dokumentiert.
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Die Darstellung nach 4 zeigt eine Presshärteanlage, mit einem Härteofen TK, der als Durchlaufofen ausgeführt ist und einen Ofeneingang TKI und einen Ofenausgang TKO aufweist. Die Presshärteanlage umfasst weiterhin eine Härtepresse PQ, zum Spannen eines Werkstücks und zur Bewerkstelligung eines Abschreckvorganges des Werkstücks in gespanntem Zustand. In einem Zwischenbereich zwischen dem Ofenausgang TKO und der Härtepresse PQ ist ein Handhabungssystem TS vorgesehen. Weiterhin ist in einem dem Ofeneingang TKI benachbarten Bereich ein Werkstückbeschickungssystem LS vorgesehen. Das Handhabungsystem TS und das Werkstückbeschickungssystem LS sind über einen am Durchlaufofen TK vorbei geführten Werkstückträgerförderweg DTR miteinander verbunden.
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Über den Werkstückträgerförderweg erfolgt eine Rückführung der Werkstückträger zum Eingangsbereich des Durchlaufofens TK. Die Werkstückträger durchwandern sowohl in Eingangsbereich des Durchlaufofens TK, als auch am Ausgangsbereich des Durchlaufofens TK Zonen in welchen eine Werkstückhandhabung durch Transfersysteme die insbesondere durch einen Roboterarm oder einen Portalroboter gebildet sind, erfolgt. Der Werkstückträgerförderweg verläuft parallel zum Durchlaufofen. Wiederum parallel zu diesem Werkstückträgerförderweg verläuft auch der in Verbindung mit 2 beschriebene Werkstückförderweg WPH ab dem Ausgang aus der Härtepresse PQ zurück zu den Kühlzellen 10...13.
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Hierdurch wird es möglich, über das Handhabungssystem TS die aus dem Ofenausgang herausgeführten Werkstückträger aufzugreifen und zum Eingang des Härteofens TK zu verbringen.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solcher Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können. Stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt. Die Funktionen der Härteanlage auch Verfahrensschritte darstellen, nach welchen die durch die Härteanlage geführten Werkstücke behandelt werden.
