DE102022111203A1 - Joining process and devices for carrying it out - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeverfahren mit zweistufigem Aufheizen von Bauteilen und Vorrichtungen zu dessen Durchführung.The present invention relates to a joining process with two-stage heating of components and devices for carrying it out.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeverfahren mit zweistufigem Aufheizen von Bauteilen und Vorrichtungen zu dessen Durchführung.The present invention relates to a joining process with two-stage heating of components and devices for carrying it out.

Bei Fügeprozessen mit einem äußeren und einem inneren Fügepartner ist es häufig notwendig, den äußeren Fügepartner zunächst zu erwärmen, so dass er sich ausdehnt, ihn dann auf den inneren Fügepartner zu setzen und dort durch Abkühlen aufzuschrumpfen. Ein Beispiel dafür sind Motorgehäuse und Statoren eines Elektromotors. Dort kommt es darauf an, dass sich das Gehäuse sehr gut an den Stator anpresst, damit dieser im Gehäuse nicht rotieren kann. Ein gängiges und verhältnismäßig schnelles Verfahren ist das induktive Erwärmen des äußeren Fügepartners. Dazu wird der äußere Fügepartner auf einen Induktor gesetzt und dieser eingeschaltet. Über Induktion entsteht Wärme in dem äußeren Fügepartner, der sich in der Folge ausdehnt. Das Verfahren mit dem Induktor ist sehr energieintensiv.In joining processes with an outer and an inner joining partner, it is often necessary to first heat the outer joining partner so that it expands, then place it on the inner joining partner and shrink it there by cooling. An example of this is the motor housing and stators of an electric motor. It is important that the housing presses very well against the stator so that it cannot rotate in the housing. A common and relatively quick process is inductive heating of the external joining partner. To do this, the external joining partner is placed on an inductor and this is switched on. Induction creates heat in the external joining partner, which subsequently expands. The process with the inductor is very energy-intensive.

Die DE 10 2019 129 271 B3 betrifft eine Vorrichtung zur Montage eines einen Innenring und einen geteilten Außenring aufweisenden Gelenklagers. Die Vorrichtung umfasst einen zur Aufnahme des Außenrings vorgesehenen Spannring, dessen Innendurchmesser maximal dem Außendurchmesser des Außenrings in dessen maximal komprimierten Zustand entspricht. Zum Aufschrumpfen des Spannrings auf den Außenring sowie zum Lösen des Spannrings vom Außenring ist eine den Spannring aufheizende Temperierungsvorrichtung in Form einer Induktionsheizvorrichtung vorgesehen.The DE 10 2019 129 271 B3 relates to a device for assembling a spherical plain bearing having an inner ring and a split outer ring. The device comprises a clamping ring provided for receiving the outer ring, the inner diameter of which corresponds at most to the outer diameter of the outer ring in its maximally compressed state. A temperature control device in the form of an induction heating device which heats the clamping ring is provided for shrinking the clamping ring onto the outer ring and for releasing the clamping ring from the outer ring.

Die EP 1 962 410 B1 offenbart ein Heiz- und Temperaturüberwachungssystem zum Aufschrumpfen einer Läuferkappe auf einen Läufer. Das Heiz- und Temperaturüberwachungssystem weist eine Steuerungseinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass mittels Temperaturerfassungsmitteln erfasste Temperaturen gemessen werden und ein Ausgangssignal an Heizmittel ausgegeben werden, wobei dadurch die Läuferkappe erwärmt wird und ein Aufschrumpfen auf den Läufer möglich ist.The EP 1 962 410 B1 discloses a heating and temperature monitoring system for shrinking a rotor cap onto a rotor. The heating and temperature monitoring system has a control unit which is designed in such a way that temperatures recorded by means of temperature detection means are measured and an output signal is output to heating means, thereby heating the rotor cap and allowing it to be shrunk onto the rotor.

Die DE 909 405 C bezieht sich auf eine zum Aufschrumpfen auf eine bzw. Abziehen von einer Welle erwärmte Schrumpfnabe für Läufer großer elektrischer Maschinen. Dabei wird wenigstens der zwischen zweckmäßig kurzen Nabensitzflächen vorhandene innere Ringraum mit einem wärmeisolierenden Belag ausgefüllt, wodurch auf die Nabe eine intensive Wärmeübertragung erreicht und auf den Nabenträger, wie beispielsweise eine Welle, eine solche weitgehend vermieden wird. Neben dem wärmeisolierenden Innenbelag können auch die Nabenaußenflächen von einem wärmeisolierenden Belag abgedeckt werden, der von einem an der Nabe angeschraubten Blechmantel nach außen abgeschlossen werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeverhältnisse beim Abschrumpfen der Nabe können außerdem auch die Stirnflächen am Nabenträger, die nicht vom Nabensitz überdeckt sind, mit einer Wärmeisolation versehen werden.The DE 909 405 C refers to a shrink hub for rotors of large electrical machines that is heated to be shrunk onto or removed from a shaft. At least the inner annular space between expediently short hub seat surfaces is filled with a heat-insulating covering, whereby intensive heat transfer to the hub is achieved and such transfer to the hub carrier, such as a shaft, is largely avoided. In addition to the heat-insulating inner covering, the outer surfaces of the hub can also be covered by a heat-insulating covering, which can be closed off to the outside by a sheet metal jacket screwed onto the hub. To further improve the thermal conditions when shrinking the hub, the end faces on the hub carrier that are not covered by the hub seat can also be provided with thermal insulation.

In der DE 10 2008 025 692 A1 wird vorgeschlagen, in einem industriellen Prozess die Abwärme von elektrischen Umrichtern und elektrischen Maschinen für die Beheizung in einem weiteren Prozessschritt zu verwenden. Hierzu wird eine Flüssigkeitskühlung für die Abwärme produzierenden Elemente verwendet. Hierdurch wird elektrische oder fossil gespeicherte Energie gespart, was wiederum zu einer direkten oder indirekten Reduktion von emittierten Treibhausgasen führt.In the DE 10 2008 025 692 A1 It is proposed to use the waste heat from electrical converters and electrical machines in an industrial process for heating in a further process step. For this purpose, liquid cooling is used for the elements that produce waste heat. This saves electrical or fossil energy stored, which in turn leads to a direct or indirect reduction in greenhouse gases emitted.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen sich ein Fügeprozess energetisch und zeitlich optimieren lässt.Against this background, the invention has set itself the task of providing a method and a device with which a joining process can be optimized in terms of energy and time.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Vorrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.The object is achieved according to the invention by a method with the features of claim 1 and devices with the features of claims 6 and 9. Refinements and further developments of the invention result from the dependent claims and the description.

Gegenstand der Erfindung ist ein Fügeverfahren zum Verbinden eines inneren Fügepartners mit einem geometrisch auf diesen abgestimmten äußeren Fügepartner, bei dem der äußere Fügepartner auf eine Fügetemperatur erwärmt wird, dann der äußere Fügepartner auf den inneren Fügepartner aufgesetzt wird, und der äußere Fügepartner abgekühlt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der äußere Fügepartner in einem ersten Erwärmungsschritt zunächst in einem Ofen auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt und danach in einem zweiten Erwärmungsschritt mittels induktiver Erwärmung auf die Fügetemperatur gebracht. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Ofen zumindest überwiegend mittels anfallender Abwärme einer Abwärme produzierende Produktionskomponente, beispielsweise einer Kraftwerksanlage, betrieben.The subject of the invention is a joining method for connecting an inner joining partner with an outer joining partner that is geometrically coordinated with this, in which the outer joining partner is heated to a joining temperature, then the outer joining partner is placed on the inner joining partner, and the outer joining partner is cooled. In the method according to the invention, the external joining partner is first heated in an oven to a preheating temperature in a first heating step and then brought to the joining temperature in a second heating step by means of inductive heating. In one embodiment of the method, the furnace is operated at least predominantly using waste heat from a production component that produces waste heat, for example a power plant.

Da die Erwärmung des äußeren Fügepartners mit der Induktionseinheit sehr energieintensiv ist, wird der zu erwärmende äußere Fügepartner über einen Ofenprozess auf eine Vorwärmtemperatur vorgeheizt, so dass nur noch ein geringer Wärmeeintrag über die Induktionseinheit notwendig ist. Die Vorwärmtemperatur ist niedriger als die Fügetemperatur. Fahrzeugwerke verfügen in der Regel über eigene Kraftwerksanlagen, die Abwärme erzeugen. Diese Abwärme kann für den Betrieb des Ofens genutzt werden, um damit den ersten und größeren Wärmeeintrag in den zu erwärmenden äußeren Fügepartner quasi energieneutral zu erzeugen. Die Feinerwärmung auf die letztlich erforderliche Fügetemperatur erfolgt dann über die Induktionseinheit.Since heating the external joining partner with the induction unit is very energy-intensive, the external joining partner to be heated is preheated to a preheating temperature via an oven process, so that only a small amount of heat input via the induction unit is necessary. The preheating temperature is lower than the joining temperature. Vehicle factories usually have their own power plants that generate waste heat. This waste heat can be used to operate the oven can be used to generate the first and larger heat input into the external joining partner to be heated in a virtually energy-neutral manner. The fine heating to the ultimately required joining temperature then takes place via the induction unit.

In einer Ausführungsform des Fügeverfahrens wird der im Ofen erfolgte Wärmeeintrag in den äußeren Fügepartner ermittelt und daraus der zum Erreichen der Fügetemperatur noch erforderliche Wärmeeintrag durch induktive Erwärmung errechnet. In einer weiteren Ausführungsform wird der errechnete erforderliche Wärmeeintrag durch induktive Erwärmung für die Regelung der Leistung und/oder der Taktzeit einer Induktionseinrichtung zur Durchführung des zweiten Erwärmungsschritts verwendet. Zwischen dem Ofen und der Induktionseinrichtung ist eine Kommunikation vorgesehen, so dass die Induktionseinrichtung eine Information erhält, welchen initialen Wärmeeintrag der äußere Fügepartner zu welchem Zeitpunkt erhalten hat und welche Wärmemenge die Induktionseinheit dem äußeren Fügepartner noch zuführen muss.In one embodiment of the joining process, the heat input into the external joining partner in the oven is determined and the heat input still required to reach the joining temperature is calculated by inductive heating. In a further embodiment, the calculated required heat input through inductive heating is used to regulate the power and/or the cycle time of an induction device to carry out the second heating step. Communication is provided between the oven and the induction device, so that the induction device receives information about what initial heat input the external joining partner received at what point in time and what amount of heat the induction unit still has to supply to the external joining partner.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens. Die Vorrichtung umfasst einen Ofen zum Durchführen des ersten Erwärmungsschrittes und eine Induktionseinheit zum Durchführen des zweiten Erwärmungsschrittes.The invention also relates to a device for carrying out the joining method according to the invention. The device includes an oven for carrying out the first heating step and an induction unit for carrying out the second heating step.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, den im Ofen zu einem gegebenen Zeitpunkt erfolgten Wärmeeintrag in den zu erwärmenden äußeren Fügepartner zu erfassen und daraus die Wärmemenge zu ermitteln, die die Induktionseinheit dem äußeren Fügepartner noch zuführen muss.In a further embodiment, the device comprises a unit which is set up to record the heat input into the external joining partner to be heated in the oven at a given time and to determine from this the amount of heat that the induction unit still has to supply to the external joining partner.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einheit, die dafür eingerichtet ist, die Leistung und/oder Taktzeit der Induktionseinheit entsprechend der Wärmemenge, die die Induktionseinheit dem äußeren Fügepartner noch zuführen muss, zu regeln.In a further embodiment, the device comprises a unit that is set up to regulate the power and/or cycle time of the induction unit according to the amount of heat that the induction unit still has to supply to the external joining partner.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Produktionsanlage, die eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens und wenigstens eine Abwärme produzierende Produktionskomponente umfasst, wobei Mittel vorgesehen sind, anfallende Abwärme dem Ofen der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zuzuführen. In einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Abwärme produzierende Produktionskomponente mindestens ein Kraftwerk.The invention also relates to a production system which comprises a device for carrying out the joining method according to the invention and at least one production component that produces waste heat, with means being provided for supplying waste heat to the oven of the device for carrying out the joining method according to the invention. In one embodiment, the production component that produces at least one waste heat comprises at least one power plant.

Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählen eine nachhaltige Verwendung der Abwärme des Kraftwerkes und eine Energieeinsparung im Fügeprozess. Weiterhin kann der den Induktor verwendende Prozessschritt maßgeblich zeitlich verkürzt werden. Während man den Ofenprozess, möglicherweise außerhalb der Hauptlinie, offline im Batch durchführt, kann der inline-Prozess verkürzt werden, was zu einer Verkürzung der Taktzeit führt. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.The advantages of the solution according to the invention include sustainable use of the power plant's waste heat and energy savings in the joining process. Furthermore, the process step using the inductor can be significantly shortened in time. While performing the oven process offline in batch, possibly off the main line, the inline process can be shortened, resulting in a reduction in cycle time. Further advantages and refinements of the invention emerge from the description.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above-mentioned features can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102019129271 B3 [0003]DE 102019129271 B3 [0003]
  • EP 1962410 B1 [0004]EP 1962410 B1 [0004]
  • DE 909405 C [0005]DE 909405 C [0005]
  • DE 102008025692 A1 [0006]DE 102008025692 A1 [0006]

Claims (10)

Fügeverfahren zum Verbinden eines inneren Fügepartners mit einem geometrisch auf diesen abgestimmten äußeren Fügepartner, bei dem der äußere Fügepartner auf eine Fügetemperatur erwärmt wird, dann der äußere Fügepartner auf den inneren Fügepartner aufgesetzt wird, und der äußere Fügepartner abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Fügepartner zunächst in einem ersten Erwärmungsschritt in einem Ofen auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt wird und danach in einem zweiten Erwärmungsschritt mittels induktiver Erwärmung auf die Fügetemperatur gebracht wird.Joining method for connecting an inner joining partner with an outer joining partner that is geometrically coordinated with this, in which the outer joining partner is heated to a joining temperature, then the outer joining partner is placed on the inner joining partner, and the outer joining partner is cooled, characterized in that the outer Joining partner is first heated in an oven to a preheating temperature in a first heating step and then brought to the joining temperature in a second heating step by means of inductive heating. Fügeverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ofen zumindest überwiegend mittels anfallender Abwärme einer Abwärme produzierenden Produktionskomponente betrieben wird.joining process Claim 1 , in which the furnace is operated at least predominantly using waste heat from a production component that produces waste heat. Fügeverfahren nach Anspruch 2, bei dem die Abwärme produzierende Produktionskomponente ein Kraftwerk ist.joining process Claim 2 , in which the production component that produces waste heat is a power plant. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der im Ofen erfolgte Wärmeeintrag in den äußeren Fügepartner ermittelt und daraus der zum Erreichen der Fügetemperatur noch erforderliche Wärmeeintrag durch induktive Erwärmung errechnet wird.Joining process according to one of the Claims 1 until 3 , in which the heat input into the external joining partner in the oven is determined and the heat input required to reach the joining temperature is calculated using inductive heating. Fügeverfahren nach Anspruch 4, bei dem der errechnete erforderliche Wärmeeintrag durch induktive Erwärmung für die Regelung der Leistung und/oder der Taktzeit einer Induktionseinrichtung zur Durchführung des zweiten Erwärmungsschritts verwendet wird.joining process Claim 4 , in which the calculated required heat input through inductive heating is used to control the power and/or the cycle time of an induction device to carry out the second heating step. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, welche einen Ofen zum Durchführen des ersten Erwärmungsschrittes und eine Induktionseinheit zum Durchführen des zweiten Erwärmungsschrittes umfasst.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, which comprises an oven for carrying out the first heating step and an induction unit for carrying out the second heating step. Vorrichtung nach Anspruch 6, welche eine Einheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, den im Ofen zu einem gegebenen Zeitpunkt erfolgten Wärmeeintrag in den äußeren Fügepartner zu erfassen und daraus die Wärmemenge zu ermitteln, die die Induktionseinheit dem äußeren Fügepartner noch zuführen muss.Device according to Claim 6 , which includes a unit that is set up to record the heat input into the external joining partner in the oven at a given time and to determine from this the amount of heat that the induction unit still has to supply to the external joining partner. Vorrichtung nach Anspruch 7, welche eine Einheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Leistung und/oder Taktzeit der Induktionseinheit entsprechend der Wärmemenge, die die Induktionseinheit dem äußeren Fügepartner noch zuführen muss, zu regeln.Device according to Claim 7 , which includes a unit that is set up to regulate the power and / or cycle time of the induction unit according to the amount of heat that the induction unit still has to supply to the external joining partner. Produktionsanlage, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 und wenigstens eine Abwärme produzierende Produktionskomponente, sowie Mittel, die anfallende Abwärme dem Ofen der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 zuzuführen.Production plant, comprising a device according to one of Claims 6 until 8th and at least one production component that produces waste heat, as well as means for transferring the resulting waste heat to the furnace of the device according to one of the Claims 6 until 8th to supply. Produktionsanlage nach Anspruch 9, worin die wenigstens eine Abwärme produzierende Produktionskomponente mindestens ein Kraftwerk umfasst.production facility Claim 9 , wherein the production component producing at least one waste heat comprises at least one power plant.
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