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Die Erfindung betrifft einen Rollenherdofen mit mindestens einer Rolle.
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Es ist bekannt, Bauteile wie Aluminiumbleche oder Stahlbleche in einem Rollenherdofen zu erwärmen. Dazu können die Bauteile über eine Vielzahl von Rollen, die gemeinsam eine Förderbahn bilden, durch den Rollenherdofen bewegt werden. Die Rollen sind dabei oft aus Quarz gebildet, um den hohen Temperaturgradienten in dem Rollenherdofen standhalten zu können.
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Insbesondere am Ein- und Auslass des Rollenherdofens sind die Rollen erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Temperaturschwankungen werden insbesondere dadurch ausgelöst, dass eine erhebliche Konduktion bzw. ein Wärmeabfluss von den im Rollenherdofen erhitzen Rollen auf das auf den Rollen aufliegende und zunächst kühle Stahlblech stattfindet.
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Um der andauernden thermischen Belastung durch die Temperaturwechsel zu widerstehen, werden zurzeit vor allem Rollen aus Quarz (SiO2) verwendet. Rollen aus Quarz zeichnen sich durch eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit aus. Denn beim Einfahren der kalten Stahlbleche in den heißen Rollenherdofen werden Temperaturen zwischen 500°C und 960°C erreicht, wohingegen die Stahlbleche beim Einführen eine gewöhnliche Raumtemperatur aufweisen.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Rollenherdöfen ist insbesondere das hohe Eigengewicht der Rollen aus Quarz. Das hohe Eigengewicht ergibt sich daraus, dass Quarz spröde ist und die Rollen daher aus Vollmaterial gefertigt werden. Dies führt dazu, dass die Rollen einen wesentlichen Gewichtsanteil des Rollenherdofens ausmachen. Mithin ist deren manuelle Installation mit erheblichen Kraftanstrengungen verbunden.
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Weiterer Nachteil der aus Quarz bestehenden Rollen ist, dass bei einem Bruch einer Rolle und einem damit einhergehenden Herabfallen der schweren Bruchstücke eine Beschädigung der grundsätzlich robust gefertigten Brennerrohre unterhalb der Rollen dennoch stattfinden kann.
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Ferner ist eine Beschichtung der Oberfläche einer Rolle aus Quarz nicht möglich. Eine Beschichtung der Oberfläche der Rolle würde den Vorteil bieten, Verunreinigungen abzuhalten, die sich an der rauen Oberfläche der Rolle leicht festsetzen können. Bei Quarz handeltes sich allerdings um ein Material mit einem sehr niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Folglich erfährt die Rolle bei starker Aufheizung nur eine minimale Materialausdehnung. Wird eine Beschichtung auf die Rolle aufgetragen, weist die Beschichtung bereits nach kurzer Einsatzdauer Risse auf, wobei die Beschichtung im fortlaufenden Betrieb beginnt sich von der Außenumfangsfläche der Rolle abzulösen. Dies wird verursacht durch die nicht korrelierenden Ausdehnungskoeffizienten des Quarzes und des Materials der Beschichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik einen Rollenherdofen bereitzustellen, dessen Rollen leicht sind und dennoch lange den Bedingungen im Rollenherdofen standhalten können.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
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Erfindungsgemäß wird ein Rollenherdofen mit mindestens einer Rolle vorgestellt. Die Rolle weist eine Außenumfangsfläche auf, die koaxial um eine Rotationsachse der Rolle ausgebildet ist, wobei die Außenumfangsfläche bei Betrachtung in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse mindestens eine Ausbuchtung aufweist.
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Bei der Rolle handelt es sich vorzugsweise um eine von vielen Rollen, die in dem Rollenherdofen drehgelagert sind und zum Transport von Bauteilen durch den Rollenherdofen bestimmt sind. Mit dem Rollenherdofen können Bauteile, insbesondere aus Stahl, thermisch behandelt werden, beispielsweise zum Presshärten. Der Rollenherdofen ist auch zur thermischen Behandlung von Bauteilen aus anderen Materialien, insbesondere aus Aluminium geeignet. Der Rollenherdofen ist vorzugsweise zur thermischen Behandlung von Bauteilen insbesondere für Kraftfahrzeuge ausgebildet.
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Bei der Ausbuchtung handelt es sich um einen Bereich, der ausgehend von der Rotationsachse der Rolle überhöht gegenüber der übrigen Außenumfangsfläche ausgebildet ist. Vorzugsweise ist an jeder Stelle eines Längsabschnitts der Rolle, insbesondere an jeder Stelle der Rolle, die Bedingung erfüllt, dass die Außenumfangsfläche bei Betrachtung in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse mindestens eine Ausbuchtung aufweist.
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Aufgabe der Ausbuchtung ist es, die Kontaktfläche zwischen einem zu befördernden Stahlblech und der Rolle zu reduzieren. Damit soll erreicht werden, dass ein Wärmeabfluss zwischen der aufgeheizten Rolle und dem Stahlblech auf ein Minimum reduziert wird. Die Ausbuchtung ist dazu ausgebildet, als ausschließliche Kontaktfläche zwischen der Rolle und dem Stahlblech zu dienen. Aufgrund des stark reduzierten Kontaktbereichs der Außenoberfläche der Rolle mit dem Stahlblech, beschränkt auf den Bereich der Ausbuchtung, wird eine Konduktion von der Rolle zu dem Stahlblech erheblich verringert.
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Die Ausbuchung ist Teil der Außenumfangsfläche und daher vorzugsweise aus dem gleichen Material gebildet wie die Rolle, insbesondere wie die Außenumfangsfläche. In einer alternativen Ausführungsform ist es jedoch denkbar, dass die Ausbuchtung aus einem anderen Material als der Rest der Rolle besteht.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Ausbuchtung durch eine Kontur der Außenumfangsfläche gebildet, wobei sich die Kontur über mindestens einen Längsabschnitt der Rolle erstreckt. Beispielsweise handelt es sich bei der Kontur um eine Wulst oder Leiste, die sich zumindest abschnittsweise in Richtung der Rotationsachse der Rolle erstreckt. Darüber hinaus sind auch andere Gestaltungsformen der Kontur denkbar.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich die Kontur in Richtung der Rotationsachse der Rolle von einem ersten Ende der Rolle zu einem zweiten Ende der Rolle. Mithin verläuft die Kontur gemäß der alternativen Ausführungsform über die gesamte Längserstreckung der Rolle.
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Die Kontur um die Rotationsachse ist vorzugsweise verdrallt ausgebildet. Anders ausgedrückt ist die Kontur in Form einer Helix um die übrige Rolle geschlungen. Diese Ausgestaltung der Rolle führt dazu, dass das in dem Rollenherdofen zu befördern Stahlblech zumindest nur Punktkontakt auf der anliegenden Kontur aufweist. Durch die reduzierte Kontaktfläche zwischen der Rolle und dem Stahlblech wird der Wärmetransfer bzw. die Konduktion von den heißen Rollen auf die demgegenüber kühlen Stahlbleche gegenüber einem Abrollen der Stahlbleche auf der gesamten Außenumfangsfläche der Rollen verringert.
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Ist lediglich eine Kontur auf der Außenumfangsfläche der Rolle ausgebildet, ist die Kontur vorzugsweise um mindestens 360° verdrallt um die Rotationsachse auf der Außenumfangsfläche der Rolle ausgebildet. Somit werden auch bei lediglich einer Kontur die beschriebenen Vorteile einer Rolle mit Kontur erzielt. Eine Rolle mit nur einer Kontur, die um 360° um die Rolle ausgebildet ist, hat folglich auf ihrer gesamten Länge nur jeweils an zwei, auf der Kontur fortlaufenden Stellen, Punktkontakt zu dem aufliegenden Stahlblech. Somit steht ein jeweiliger Abschnitt auf der Kontur beim Transportvorgang nur einen kurzen Zeitraum mit dem Stahlblech in Kontakt. Diese Ausgestaltung der Rolle stellt die Ausführungsform mit der geringsten Konduktion zwischen Rolle und Stahlblech dar. Mithin wird durch diese Ausführungsform der Rolle am wenigsten Wärme von der Rolle an das Stahlblech abgegeben. Um einem Stahlblech allerdings eine größere Unterstützung zu bieten, ist es alternativ aber auch denkbar, eine Rolle mit mehreren Konturen bzw. Ausbuchtungen zu schaffen, die an mehreren Stellen, der Anzahl des Grads der Verdrallung und der Konturen entsprechend, Auflage bietet. Auch kann die Kontur um mehr als 360° um die übrige Rolle geschlungen sein, insbesondere um ein ganzzahliges Vielfaches von 360°. Damit können sowohl mehrere Punktkontakte hergestellt als auch ein gleichmäßiges und stufenloses Abrollen des Stahlbleches erleichtert werden.
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Insbesondere bevorzugt besteht die Rolle zumindest teilweise aus Mullit, wobei ebenfalls bevorzugt die Rolle vollständig aus Mullit besteht. Die aus dem Stand der Technik bekannten und üblicherweise im Presshärteofen verwendeten Hohlrollen aus Mullit neigen bei zu starken Temperaturschwankungen dazu, schnell zu brechen. Denn der Temperaturgradient zwischen der erhitzten Rolle und dem demgegenüber kalten Stahlblech führt nach kurzem Einsatz zum Ermüden der Rolle auf Grund der auftretenden Temperaturspannungen. Durch den Einsatz der Rolle aus Mullit mit der beschriebenen Ausgestaltung wird die Wärmeübertragung von der Rolle zum Stahlblech reduziert. Dies ist auf die Punktbelastung und den entsprechenden Abstand zwischen der Rolle und dem Stahlblech zurückzuführen.
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Mullit hat ein größeres Elastizitätsmodul als Quarz. Dadurch können Rollen aus Mullit bei gleicher Gestaltung mit geringerer Durchbiegung höhere Last aufnehmen.
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Daher ist die Rolle vorzugsweise als Hohlrolle ausgebildet, wobei ferner bevorzugt die Rolle eine zylindrische Innenumfangsfläche aufweist. Da die Rolle als Hohlrolle ausgebildet ist, kann zweidrittel des Gewichts pro Rolle gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Rolle aus Quarz eingespart werden. Auch ist die Tragfähigkeit einer Hohlrolle aus Mullit größer als bei einer Quarz-Rolle aus Vollmaterial. Darüber hinaus führt diese Gewichtseinsparung auch zu einer Reduzierung der Wärmekapazität der jeweiligen Rolle, mit dem Ergebnis der Senkung der zur Aufheizung des Rollenherdofens benötigten Energie.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Rolle vorzugsweise ebenfalls eine Innenumfangsfläche auf, wobei zwischen der Innenumfangsfläche und der Außenumfangsfläche eine Wandung ausgebildet ist, wobei die Stärke der Wandung um nicht mehr als 50 %, insbesondere um nicht mehr als 20 % variiert. Das bedeutet, dass die Wandung an keiner Stelle der Rolle um mehr als 20 % größer ist als an einer anderen Stelle der Rolle. Somit folgt bei Betrachtung des Querschnitts der Rolle die Innenumfangsfläche dem Verlauf der Außenumfangsfläche jedenfalls innerhalb der angegebenen Toleranz von 50 % beziehungsweise 20 %. Insoweit bleibt die Stärke der Wandung konstant. Durch die lokale Konduktion zwischen der Rolle und einem Stahlblech entlang der Kontur können Spannungen in dem Werkstoff der Rolle entstehen. Mullit ist gegenüber diesen Spannungen empfindlich und neigt bei zu großen Temperaturschwankungen dazu zu brechen. Um den entstehenden Spannungen im Material strukturell entgegenzuwirken, beispielsweise durch Kerbwirkung, ist eine kontinuierliche Stärke der Wandung von Vorteil. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Innenumfangsfläche als konzentrisch mit der Außenumfangsfläche ausgebildet aufgefasst werden. Dabei fällt eine Achse der Innenumfangsfläche und mit einer Achse der Außenumfangsfläche zusammen, wobei die Innenumfangsfläche bei gleicher Form kleiner ist als die Außenumfangsfläche.
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Damit die Rolle möglichst materialschonend an dem zu befördernden Stahlblech abrollt, ist die Ausbuchtung vorzugsweise abgerundet. Mithin weist die Ausbuchtung bzw. die Kontur keine scharfen oder spitzen Kanten auf, die durch den Rollenherdofen transportierte Bauteile und insbesondere Beschichtungen darauf beschädigen könnten. Ferner bevorzugt ist die gesamte Außenumfangsfläche mit Ausbuchtungen abgerundet gestaltet. Dies bietet den Vorteil einer einfacheren Reinigung der Rolle von Verschmutzungen, die sich im Betrieb auf der Rolle ablagern können.
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Vorzugsweise ist die Rolle so ausgebildet, dass die Außenumfangsfläche um eine Kontaktstelle mit einem durch den Rollenherdofen zu transportierenden Bauteil abgerundet ist. Die Außenumfangsfläche kann also eine oder mehrere Kopfflächen haben, welche in radialer Richtung abgerundet sind. Alternativ kann die Rolle so ausgebildet sein, dass die Außenumfangsfläche um eine Kontaktstelle mit einem durch den Rollenherdofen zu transportierenden Bauteil abgeflacht ist. Die Außenumfangsfläche kann also eine oder mehrere Kopfflächen haben, welche abgeflacht sind. Die Kopffläche ist vorzugsweise über eine Breite von bis zu 6 mm eben ausgebildet.
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Ferner ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, dass die Ausbuchtung aus einem anderen Material als der Rest der Rolle besteht. Allerdings ist eine Verunreinigung auf der Außenumfangsfläche der Rolle nicht als eine Ausbuchtung anzusehen.
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Die Rolle weist vorzugsweise an der Außenumfangsfläche eine Beschichtung auf, wobei die Beschichtung aus einem anderen Werkstoff als die Außenumfangsfläche der Rolle ausgebildet ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Rollen bestehend aus Quarz und weisen eine poröse, offenporige Struktur auf. Die raue Oberfläche dieser Rollen bietet den im Betrieb anfallenden Verunreinigungen, wie beispielsweise Schlacke, einen guten Haftgrund. Aufgrund der Oberflächenstruktur ist eine Reinigung und Befreiung der Rollen aus Quarz von jenen Verunreinigungen sehr aufwändig oder, je nach Eindringtiefe der Verunreinigung in die raue Oberfläche der Rolle, nicht möglich. Eine Beschichtung von Quarz-Rollen ist nicht praktikabel. Denn Quarz weist einen unwesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Gegensatz zu den meisten möglichen Beschichtungen auf. Mithin führte dies dazu, dass die Beschichtung auf einer aus Quarz bestehende Rolle nach bereits kurzer Zeit Risse bildet und die Beschichtung im Anschluss abplatzt.
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Bei einer Rolle aus Mullit ist diese Problematik nicht inhärent. Mullit weist einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der über dem von Quarz und insbesondere im Bereich vieler Materialien liegt, die für eine Beschichtung in Frage kommen.
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Der Rollenherdofen weist vorzugsweise mehrere der Rollen auf, wobei die Konturen benachbarter Rollen gegenläufig zueinander verdrallt sind. Mithin sind mehrere der vorgeschlagenen Rollen in einem Rollenherdofen verbaut und bilden gemeinsam eine Förderbahn, zur Beförderung bspw. eines Stahlblechs. Da die Konturen einer jeden Rolle dazu führen können, dass das zu befördernde Bauteil nicht nur in Förderrichtung transportiert wird, sondern auch eine Verschiebung quer zu der Transportrichtung stattfindet, ist vorgesehen, die jeweils in Transportrichtung folgende Rolle mit einer zu der vorherigen Rolle gegenläufigen Kontur zu versehen, um einen ausschließlichen Transport des Stahlbleches in Förderrichtung zu ermöglichen. Mithin heben sich die Kräfte, die das zu befördernde Stahlblech quer zu der Transportrichtung verschieben, gegenseitig auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen zwei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittdarstellung eines Rollenherdofens,
- 2: eine perspektivische Ansicht einer der Rollen aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3: einen Querschnitt der Rolle aus 2,
- 4: einen Querschnitt einer Rolle gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 5: eine schematische Seitenansicht einer Rolle mir verdrallten Konturen,
- 6: eine Teilansicht eines Querschnitts einer Rolle, und
- 7: eine vergrößerte Ansicht der 6.
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1 zeigt einen Rollenherdofen 1 zum Erwärmen von Werkstücken D wie bspw. einem Stahlblech. Der Rollenherdofen 1 weist eine Ofenkammer 6 zur Aufnahme eines Werkstückes D auf, wobei innerhalb der Ofenkammer 6 mehrere Rollen 2 zum Transport des Werkstücks D durch die Ofenkammer 6 angeordnet sind. Die Rollen 2 bilden gemeinsam eine Förderbahn 14 mit einer Transportrichtung C. Im normalen Betrieb werden die Werkstücke D in Transportrichtung C durch den Rollenherdofen 1 befördert. Die Werkstücke D können aber auch entgegen der Transportrichtung C befördert werden. Die voneinander abgewandten und die Förderbahn 14 begrenzenden Stirnseiten 15 des Rollenherdofens 1 weisen jeweils eine Öffnung 16 auf, durch welche die Werkstücke D auf die Rollen 2 der Förderbahn 14 gelangen und durch den Rollenherdofen 1 transportiert werden bzw. aus diesem wieder abtransportiert werden können.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus Mullit bestehenden Rollen 2, gemäß 1, in einer ersten Ausführungsform. Die Rolle 2 weist eine Außenumfangsfläche 3 auf, die koaxial um eine Rotationsachse B der Rolle 2 ausgebildet ist. Die Außenumfangsfläche 3 der Rolle 2 weist gemäß 2 und 3, bei Betrachtung in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse B, mehrere Ausbuchtungen 5 auf, wobei die Ausbuchtungen 5 durch eine Kontur 7 der Außenumfangsfläche 3 gebildet sind. Die Kontur 7 erstreckt sich in Richtung der Rotationsachse B der Rolle 2 von einem ersten Ende 12 der Rolle 2 zu einem (in 2 nur angedeuteten) zweiten Ende 13 der Rolle 2, also über die gesamte Länge der Rolle 2. Weiterhin eingezeichnet ist ein Längsabschnitt A, der sich im gezeigten Beispiel vom ersten Ende 12 bis zum zweiten Ende 13 erstreckt.
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Wie in 2, 3 und 4 abgebildet, ist die Rolle 2 als Hohlrolle ausgebildet. Gemäß 3 weist die Rolle 2 eine zylindrische Innenumfangsfläche 4 auf. Da die Rolle 2 als Hohlrolle ausgebildet ist, kann zweidrittel des Eigengewichts pro Rolle 2 gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Rolle aus Quarz eingespart werden. Darüber hinaus führt diese Gewichtseinsparung auch zu einer Reduzierung der benötigten Energie zur Aufheizung des Rollenherdofens 1.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Rolle 2 dargestellt. Diese Ausführungsform der Rolle 2 weist ebenfalls eine Innenumfangsfläche 4 auf. Allerdings ist die Stärke der zwischen der Innenumfangsfläche 4 und der Außenumfangsfläche 3 ausgebildete Wandung 9 weitgehend konstant. Mithin folgt bei Betrachtung des Querschnitts der Rolle 2 die Innenumfangsfläche 4 dem Verlauf der Außenumfangsfläche 3.
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Gemäß 3 und 4 sind die Ausbuchtungen 5 abgerundet. Mithin weisen die Ausbuchtungen 5 bzw. die Konturen 7 keine scharfen oder spitzen Kanten auf, die das Werkstück D oder eine Beschichtung darauf beschädigen könnten. Ferner bevorzugt ist die gesamte Außenumfangsfläche 3 mit Ausbuchtungen 5 abgerundet gestaltet. Dies bietet den weiteren Vorteil einer vereinfachten Reinigung der Rolle 2 von Verschmutzungen, die sich im Betrieb auf der Rolle 2 ablagern können.
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Die Rollen 2 der ersten und zweiten Ausführungsform können an der Außenumfangsfläche 3 eine Beschichtung 11 aufweisen, wobei die Beschichtung 11 aus einem anderen Werkstoff als die Außenumfangsfläche 3 der Rolle 2 ausgebildet ist.
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In 5 ist eine schematische Seitenansicht einer Rolle 2 dargestellt. Die Rolle 2 weist 2 eine Außenumfangsfläche 3 auf, die koaxial um eine Rotationsachse B der Rolle 2 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist die Außenumfangsfläche 3 zwei Konturen 7 auf, wobei die beiden Konturen 7 parallel zueinander verlaufen, sich über den Längsabschnitt Ader Rolle 2 erstrecken und verdrallt, bzw. in Form einer Helix um die übrige Rolle 2 geschlungen sind. Ausgehend von dem ersten Ende 12 der Rolle 2, hinzu dem zweiten Ende 13, sind die Konturen 7 jeweils um etwa 900° um die Rolle 2 geschlungen. Anders ausgedrückt, sind die Konturen 7 jeweils zwei und ein halb mal um die Rolle 2 geschlungen. Ferner sind auch in 5 die Ausbuchtungen 5, die die Konturen 7 bilden, erkennbar, da diese eine größere radiale Erstreckung aufweisen, als die sonstige Außenumfangsfläche 3 der Rolle 2. Mithin sind die Ausbuchtungen 5 dadurch erkennbar, dass diese in 5 über die sonstige Außenumfangsfläche 3 nach oben und unten hinausragen.
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Gemäß den 6 und 7 ist die Rolle 2 alternativ so ausgebildet, dass die Außenumfangsfläche 3 um eine Kontaktstelle mit einem durch den Rollenherdofen 1 zu transportierenden Bauteil D abgeflacht ist. Die Außenumfangsfläche 3 weist also Kopfflächen 17 auf, welche abgeflacht sind. Die jeweilige Kopffläche 17 ist dazu über eine Breite von bis zu 6 mm eben ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rollenherdofen
- 2
- Rolle
- 3
- Außenumfangsfläche
- 4
- Innenumfangsfläche
- 5
- Ausbuchtung
- 6
- Ofenkammer
- 7
- Kontur
- 9
- Wandung
- 11
- Beschichtung
- 12
- Erstes Ende
- 13
- Zweites Ende
- 14
- Förderbahn
- 15
- Stirnseite
- 16
- Öffnung
- 17
- Kopffläche
- A
- Längsabschnitt
- B
- Rotationsachse
- C
- Transportrichtung
- D
- Werkstück/Stahlblech/Bauteil
