DE10212820C1 - Verfahren und Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen von metallischen Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks (4) in mehreren Schritten, wobei zunächst die Bereiche des Werkstücks (4) mit im Verhältnis größerem Querschnitt (Q) vorerhitzt (6, 7, 8) und die Bereiche mit im Verhältnis kleinerem Querschnitt (q) überbrückt werden, so dass sie sich nicht miterwärmen. Alternativ können auch die Bereiche des Werkstücks (4) mit im Verhältnis kleinerem Querschnitt (q) gekühlt werden, während die Bereiche mit im Verhältnis größerem Querschnitt (Q) keine signifikante Temperaturerhöhung erfahren. Anschließend wird das gesamte Werkstück (4) erwärmt, so dass insgesamt eine Übererwärmung in den Bereichen mit kleinem Querschnitt (q) und eine Untererwärmung in den Bereichen mit großem Querschnitt (Q) vermieden wird. Die Überbrückung der Bereiche mit kleinerem Querschnitt (q) kann thermisch oder elektrisch erfolgen. DOLLAR A Das Enderwärmen des Werkstücks (4) kann in derselben Einrichtung wie die Vorerwärmung oder beim Transfer des Werkstücks durch die Transporteinrichtung erfolgen. Bevorzugt befindet sich die Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens in einer Schutzgasatmosphäre.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks mittels Elektroden, wobei das metallische Werkstück gezielt nur in definierten Bereichen vorerwärmt oder gekühlt wird und bei einem anschließenden Fertigerwärmen des gesamten Werkstücks ein definiertes Temperaturniveau in allen Bereichen des Werkstücks eingestellt wird.

Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, metallische Werkstücke aus unterschiedlichen Halbzeugen wie zum Beispiel Platinen, Strangpressprofilen oder Vollprofilen zu erwärmen, um sie in einem Warmformprozess weiterzuverarbeiten oder zu härten. So kann die Erwärmung solcher Werkstücke in einem Durchlaufofen stattfinden, wobei das einzelne Werkstück auf eine gleichmäßige Verarbeitungstemperatur gebracht wird, die von seiner geometrischen Form unabhängig ist. Allerdings nimmt ein solcher Durchlaufofen entsprechenden Platz mit entsprechenden Durchlaufzeiten in Anspruch und der entstehende Zunder muss durch einen nachgeschalteten Arbeitsgang wie zum Beispiel ein Sandstrahlen entfernt werden.

Man kann metallische Werkstücke auch partiell oder vollständig induktiv erwärmen. Das induktive Erwärmen verursacht jedoch zumindest bei langen Bauteilen Temperaturgradienten.

Es ist auch möglich, metallische Werkstücke konduktiv, also mittels direkten Stromdurchgangs, zu erwärmen. So ist es Stand der Technik, Bandmaterial wie Blech in Coilform oder Stangen aus Metall über den elektrischen Widerstand mittels Stromdurchgang zu erwärmen. Im Falle des Coilmaterials handelt es sich dabei um einen kontinuierlichen Prozess, bei Stangen werden entweder einzelne Bauteile oder mehrere Bauteile gleichzeitig erhitzt. Das konduktive Erwärmen läßt sich im Verhältnis zur Erwärmung im Ofen mit geringem Platzbedarf und hohen Taktzeiten bewerkstelligen, wenn man jedoch metallische Werkstücke elektrisch widerstandserwärmt, die keinen konstanten Querschnitt aufweisen, treten Probleme auf. An Stellen mit schmalem Querschnitt erwärmt sich das Werkstück sehr viel schneller und stärker als an Stellen mit größerem Querschnitt. Es treten im Werkstück unerwünschte Temperaturunterschiede auf bis hin zu dem Fall, dass das Werkstück an den schmalen Stellen zerstört wird, während es an den Stellen mit größerem Querschnitt das gewünschte definierte Temperaturniveau noch nicht erreicht hat.

Aus der DE 12 62 320 B ist ein Verfahren zum Erhitzen eines Stahlblocks bekannt, bei dem das Werkstück nur in den Außenbereichen vorerhitzt wird und die weitere Erwärmung auf Warmverformungstemperatur durch elektrische Widerstandserhitzung vorgenommen wird, um Gefügeungleichmäßigkeiten zu beseitigen. Laut der DE 30 26 346 C2 werden beim Streckglühen von Werkstücken die Spannzangen mit einer Stromzuführung versehen und dienen somit als Elektroden. Keine der Schriften offenbart jedoch eine Lösung des oben beschriebenen Problems der konduktiven Erwärmung ungleichmäßiger Querschnitte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Widerstandserwärmen aufzuzeigen, bei dem alle Bereiche eines metallischen Werkstücks ein definiertes Temperaturniveau annehmen, ohne dass es zu unerwünschtem Über- oder Untererwärmen einzelner Bereiche kommt.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren. Nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird ein metallisches Werkstück mittels Elektroden elektrisch widerstandserwärmt, indem es gezielt nur in definierten Bereichen vorerwärmt oder alternativ gekühlt wird, um beim anschließenden Erwärmen des gesamten Werkstücks ein definiertes und gleichmäßiges Temperaturniveau in allen Bereichen des Werkstücks zu erhalten.

Wenn man nunmehr, wie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschrieben, die Bereiche eines metallischen Werkstücks, die einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Werkstücks kleinen Querschnitt aufweisen, bei der Vorerwärmung überbrückt, so dass sie sich nicht oder nur geringfügig erwärmen, wohingegen die Bereiche des Werkstücks, die im Verhältnis zu den anderen Bereichen einen großen Querschnitt aufweisen, auf ein bestimmtes Temperaturniveau vorerwärmt werden, so sinkt im vorerwärmten Bereich der größeren Querschnitte die elektrische Leitfähigkeit des Materials, bis sich die Widerstandswerte des vorerwärmten Bereichs den Widerstandswerten der kalten Bereiche mit kleinem Querschnitt in etwa angleichen. Neben einer gezielten Temperaturerhöhung in zuvor genau definierten Bauteilbereichen macht man sich hier zusätzlich die temperaturabhängige Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit vom Metallen zunutze. So ist der elektrische Widerstand von metallischen Werkstücken in Bereichen mit im Verhältnis kleinem Querschnitt größer als in Bereichen mit im Verhältnis großem Querschnitt. Folglich wird ein metallisches Werkstück beim elektrischen Widerstandserwärmen in den Bereichen mit kleinem Querschnitt wesentlich schneller heiß als in Bereichen mit größerem Querschnitt. Wenn man jedoch Metall erwärmt, sinkt die elektrische Leitfähigkeit abhängig vom jeweiligen Material. Umgekehrt steigt die elektrische Leitfähigkeit von Metall, je kälter es ist. Mit einem Vorerwärmen oder einem gezielten Abkühlen können daher durch eine unterschiedliche Querschnittsform verursachte unterschiedliche Widerstandswerte eines metallischen Werkstücks einander angeglichen werden. Bei der Erwärmung des ganzen Werkstücks hat man dann in allen Bereichen einen in etwa gleich hohen Widerstandswert, so dass alle Bereiche, natürlich auch aufgrund der höherer Starttemperaturen durch die Vorerwärmung in den größeren Querschnitten, annähernd gleichzeitig die gewünschte höhere Endtemperatur erreichen. Die Erwärmung des gesamten Werkstücks erfolgt also gleichmäßiger, so dass ein Übererwärmen in den Bereichen mit kleinem Querschnitt sowie ein Untererwärmen in den Bereichen mit großem Querschnitt vermieden wird.

Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei dem zu erwärmenden Werkstück um eine Formplatine, ein bereits umgeformtes Bauteil, einen Schmiederohling oder ein Strangpressprofil handelt. Bei einer nicht ebenen Auflagefläche für die Elektroden bei einem stark vorgeformten Bauteil müssen die Elektroden lediglich der Form des Werkstücks angepasst werden.

Gemäß Anspruch 2 kann man die Bereiche eines metallischen Werkstücks, die einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Werkstücks kleinen Querschnitt aufweisen, auch kühlen, so dass sich neben dem wiederum gezielten Einbringen von Temperaturgradienten in das Bauteil die elektrische Leitfähigkeit an diesen Stellen erhöht und der Widerstand sinkt, wohingegen die Bereiche des Werkstücks, die im Verhältnis zu den anderen Bereichen einen großen Querschnitt aufweisen, zunächst keine Temperaturänderung erfahren, bis sich die Widerstandswerte der gekühlten Bereiche den Widerstandswerten der ungekühlten Bereiche mit großem Querschnitt in etwa angleichen. Bei der Erwärmung des ganzen Werkstücks hat man dann wiederum in allen Bereichen einen in etwa gleich hohen Widerstandswert, so dass alle Bereiche annähernd gleichzeitig die gewünschte höhere Temperatur erreichen. Die elektrische Widerstandserwärmung des gesamten Werkstücks erfolgt auch hier im Verhältnis gleichmäßiger, so dass ein Übererwärmen in den Bereichen mit kleinem Querschnitt sowie ein Untererwärmen in den Bereichen mit großem Querschnitt vermieden wird. Als Kühlmedium für die Vorkühlung eignen sich zum Beispiel kalte Luft, Stickstoff oder Öle.

Zum gezielten Vorwärmen von Teilbereichen mit größeren Querschnittsflächen gemäß Anspruch 3 werden Elektroden in einem geeigneten Elektrodenkontaktmuster an die Oberfläche des Werkstücks angelegt, wobei zwischen ausgewählten Elektroden gezielt Spannung angelegt wird und/oder gezielt Teilbereiche mit kleineren Querschnittsflächen elektrisch und/oder thermisch überbrückt werden. Auf diese Weise kommen je nach der Ausbildung des Werkstücks Elektrodenpaare so in Kontakt mit dem Werkstück, dass gezielt die von ihnen eingeschlossenen Bereiche vorgewärmt werden. Um den Stromfluss in kleineren Teilbereichen zu reduzieren bzw. zu unterbinden, werden die Elektroden, die diese Bereiche zwischen sich einschließen, elektrisch kurzgeschlossen oder diese Bereiche thermisch überbrückt, beispielsweise mit Keramikkörpern.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 4 soll hierbei die Temperaturerhöhung durch Vorerwärmung in den Teilbereichen mit größeren Querschnittsflächen so durchgeführt werden, dass aufgrund der Temperaturerhöhung die durch die unterschiedlichen Querschnittsflächen bedingten Unterschiede der elektrischen Widerstandswerte kompensiert werden.

Die Elektroden des Elektrodenkontaktmusters werden so angeordnet, dass der Strom längs zur Längsachse des Bauteils fließt. Bei sehr großen im Sinne von breiten oder dicken Teilbereichen kann es sich empfehlen, die Elektroden des Elektrodenkontaktmusters für diesen Teil gemäß Anspruch 5 so anzulegen, dass der Strom im wesentlichen quer oder schräg zur Längsachse des Werkstücks fließt, um einen besseren Erwärmungs-Wirkungsgrad zu erreichen.

Da sich das metallische Werkstück beim Erwärmen ausdehnt, ist es vorteilhaft, das Werkstück während des elektrischen Widerstandserwärmens mit Zug zu beaufschlagen, der einem Verzug des gesamten Bauteils entgegenwirkt.

Gemäß Anspruch 6 kann eine Vor- und eine Enderwärmung innerhalb derselben Arbeitsstation vorgenommen werden. Dazu müssen entweder die metallischen Werkstücke relativ zu den Elektroden beweglich oder die Elektroden relativ zum Werkzeug beweglich angeordnet sein, um ein Vorerwärmen und ein Fertigerwärmen in unterschiedlichen Bereichen des Werkstücks zu gewährleisten. Es ist auch möglich, die Erwärmung in getrennten Arbeitsstationen vorzunehmen, die dann bevorzugt innerhalb einer Zelle angeordnet sind.

Nach Anspruch 7 kann eine Vor- oder Enderwärmung des metallischen Werkstücks auch während des Transfervorgangs zum Umform- und/oder Härtewerkzeug vom Transportwerkzeug vorgenommen werden.

Um eine Zunderbildung an dem metallischen Werkstück aufgrund des Erwärmungsvorgangs zu vermeiden, kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere innerhalb einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt werden. Dadurch wird ein Nachbearbeiten zur Zunderentfernung wie zum Beispiel ein Sandstrahlen überflüssig.

Eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks umfasst ein Elektrodenkontaktmuster aus mehreren Elektroden und Mittel zum Vorwärmen oder Kühlen definierter Bereiche, wobei die Mittel zur gezielten Einstellung einer Temperaturerhöhung gemäß Anspruch 8 Teil des Elektrodenkontaktmusters sein können. Ebenso kann die Einrichtung gemäß Anspruch 9 ein Kühlmittel zur Beaufschlagung der Teilbereiche mit kleineren Querschnittsflächen umfassen.

Gemäß Anspruch 10 können die Elektroden elektrische und/oder thermische Überbrückungsmittel zur Überbrückung von Teilbereichen mit kleineren Querschnittsflächen aufweisen, bevorzugt handelt es sich hierbei um keramische Materialien oder nach Anspruch 11 um eine Plattenelektrode und/oder elektrische Leitungen aus Materialien, die elektrisch leitfähiger als das Metall des Werkstücks sind.

Eine andere bevorzugte Variante schlägt gemäß Anspruch 12 vor, die Greifarme eines Roboters mit Elektroden in Form des Vorwärm- und/oder Gesamtwärmkontaktmusters auszubilden. Dies ist mit dem besonderen Vorteil verbunden, dass das Werkstück während des Handlings aus einer Bearbeitungsstation zu einer anderen, beispielsweise dem Presswerkzeug, erwärmt werden kann, so dass die Prozesszeiten erheblich reduziert werden können. Eine Weiterentwicklung umfasst nach Anspruch 14 Greiferelektroden, die randseitig um das Bauteil herum greifend angeordnet sind. Diese Greiferelektroden bilden das Gesamterwärmkontaktelektrodenmuster. Sie sind mit schwenkbaren Elektrodenarmen ausgerüstet, die zur Bildung des Vorwärm- Elektrodenkontaktmusters auf das Werkstück aufgeschwenkt werden.

Das Elektrodenkontaktmuster kann alternativ gemäß Anspruch 15 mittels entlang des Werkstücks verfahrbarer (Rollen-)elektroden gebildet sein oder mittels einer Vielzahl von statisch angeordneten Elektroden, die gezielt ansteuerbar sind wie in Anspruch 16 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Einrichtung zum Erwärmen sollen insbesondere in Kombination mit dem Warmumformverfahren von bereits vorgeformten Platinen zur Herstellung von Fahrzeugkomponenten zur Anwendung kommen, wie zum Beispiel Türaufprallträger, Stoßfänger, Karosserieteile, Fahrwerksteile etc., wobei das Werkzeug sowie die Erwärmeinrichtung aufgrund ihrer Kompaktheit in eine Schutzzelle eingeschlossen werden können und so eine Verzunderung von Stahlteilen oder eine Oxidbildung von beispielsweise Aluminiumteilen vermieden werden kann. Bei dem Werkzeug kann es sich auch um ein kombiniertes Umform- und Vergütungswerkzeug handeln. Die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erwärmten Werkstücke können darüber hinaus jedem beliebigen Weiterverarbeitungsprozess zugeführt werden, wie zum Beispiel einem Schmiedeprozess oder einer weiteren Wärmebehandlung.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt hierbei eine Formplatine (1) mit zwei schmalen Endbereichen, einem vorerwärmten Bereich (3) und vier Elektroden (2, 2a, 2b, 2c).

Fig. 2 zeigt eine Formplatine (4) mit insgesamt zwei schmalen (q) und drei breiten (Q) Bereichen, drei vorerwärmten Bereichen (6, 7, 8) und 6 Elektroden (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e).

Fig. 3 zeigt eine Formplatine (9) wie in Fig. 2 mit drei vorerwärmten Bereichen (6, 7, 8) und zwei schmalen (10, 10a) und zwei breiten (11, 11a) Elektroden.

Fig. 4 zeigt eine Formplatine (17) mit einer schmalen Mitte, zwei breiten Enden, zwei vorerwärmten Bereichen (19, 20) und vier Elektroden (18, 18a, 18b, 18c).

Fig. 5 zeigt die Platine (17) aus Fig. 4 mit zwei vorerwärmten Bereichen (25, 26) und je einer schmalen Elektrode (23, 23a) am jeweiligen Ende und einer breiten Elektrode (24) in der Mitte.

Fig. 6 zeigt die Platine (17) aus Fig. 4 und 5 mit zwei vorerwärmten Bereichen (25, 26) und nur je einer Elektrode (23, 23a) am jeweiligen Ende.

Fig. 7 zeigt eine Formplatine (29) mit einem schmalen und einem fischschwanzförmigen Ende, einem vorerwärmten Bereich (32) und vier Elektroden (30, 30a, 31, 31a).

Fig. 8 zeigt die Platine (29) aus Fig. 7 mit zwei vorerwärmten Bereichen (32, 34) und vier Elektroden (30, 30a, 31, 31a).

Fig. 9 zeigt die Platine (29) aus Fig. 7 und 8 mit drei erwärmten Bereichen (32, 34, 38) und vier Elektroden (30, 30a, 31, 31a).

Fig. 10 zeigt schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen einer Platine (44) mit zwei getrennten Arbeitsstationen zum Vor- (40) und Enderwärmen (40a).

Fig. 11 zeigt die Vorerwärmstation (40) aus Fig. 10 und schematisch eine Platine (44) mit zwei Transportgreifern (45, 46), die gleichzeitig Elektroden darstellen.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Platine (51) mit zwei Transportgreifern (47, 49), die gleichzeitig Elektroden darstellen und über zwei weitere zu- und abklappbaren Elektroden (48, 48a, 50, 50a) verfügen.

Fig. 13 zeigt schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen (52), wobei die Elektroden (56, 56a, 56b, 56c) als Rollen ausgebildet sind.

Fig. 14 zeigt schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen (57), mit der auch ein Umformvorgang ausgeführt werden kann.

Fig. 15 zeigt schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen (62), in der mehrere Elektroden (66, 66a-k) angeordnet sind, die zu- oder abgeschaltet werden können.

Fig. 16 zeigt schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Widerstandserwärmen (67) mit auf Rollen (72, 72a, 72b, 72c) gelagerten beweglichen Elektroden (71, 71a, 71b, 71c).

Fig. 17 zeigt schematisch eine Erwärmungs- (78) und eine Umform- oder Härtungseinrichtung, die sich in einer geschlossenen Zelle (73) befinden.

Fig. 18 zeigt schematisch eine Umform- oder Härtungseinrichtung (86) und zwei Roboter (85, 87), von denen einer (87) einen Transformator (88) trägt.

Fig. 19 zeigt im Detailausschnitt den Roboter (87) mit dem Transformator (88) aus Fig. 18.

Fig. 1 zeigt eine Formplatine (1) mit einem mittleren Bereich mit im Verhältnis größerem Querschnitt und zwei Endbereichen mit im Verhältnis kleineren Querschnitt. An den jeweiligen Enden und am Beginn des breiteren Bereichs befinden sich jeweils Elektroden (2, 2a, 2b, 2c). Der mittlere Bereich mit größerem Querschnitt wurde in diesem Beispiel mittels der zwei mittleren Elektroden (2a, 2b) vorerwärmt (3).

Fig. 2 zeigt eine Formplatine (4) mit drei Bereichen mit größerem Querschnitt (Q) und zwei Bereichen mit kleinerem Querschnitt (q) und 6 Elektroden (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e), die sich jeweils am Ende (5, 5e) der Platine (4) und in den Bereichswechseln (5a, 5b, 5c, 5d) befinden. Die Bereiche mit größerem Querschnitt (Q) wurden wiederum vorerwärmt (6, 7, 8).

Fig. 3 zeigt eine Formplatine (9), mit drei vorerwärmten Bereichen (12, 13, 14). In diesem Fall wurden die Bereiche mit kleinerem Querschnitt durch besonders lange Elektroden (11, 11a) überbrückt. Der Strom fließt dabei von den beiden äußeren Elektroden (10, 10a) durch die Platine in die beiden großen Elektroden (11, 11a) und durch die großen Elektroden hindurch wieder in die Platine. Der Stromfluss durch die großen Elektroden ist mit einem Stromkreis angedeutet (15, 16).

Fig. 4 zeigt eine Formplatine (17) mit zwei äußeren Bereichen mit größerem Querschnitt, die vorerwärmt wurden (19, 20), und einem mittleren Bereich mit kleinerem Querschnitt sowie vier Elektroden, zwei äußeren (18, 18c) am jeweiligen Platinenende und zwei inneren (18a, 18b) im Bereichswechsel vom großen zum kleinen Querschnitt. Die zwei inneren Elektroden (18a, 18b) sind für die Vorerwärmung mit einem Kabel (21) verbunden. Dadurch wird der mittlere Bereich der Platine bei der Vorerwärmung überbrückt und damit kalt gehalten. An die äußeren Elektroden wird die Spannung angelegt. Der Stromkreis ist angedeutet (22, 22a).

Fig. 5 zeigt die Formplatine (17) aus Fig. 4. An den jeweiligen Enden sind wiederum die äußeren Elektroden (23, 23a) angebracht. In der Mitte wird der Bereich mit kleinem Querschnitt von einer Elektrode oder einem gut leitfähigen Material wie Kupfer (24) abgedeckt. An die äußeren Elektroden (23, 23a) wird Spannung angelegt. Der äußere Stromkreis ist angedeutet (28, 28a). Der Strom fließt von der einen äußeren Elektrode (23) durch die Platine in die mittlere große Elektrode (24), durch diese Elektrode hindurch (27), wieder in die Platine und von dort in die andere äußere Elektrode (23a). Dabei werden die beiden Bereiche mit größerem Querschnitt vorgewärmt (25, 26).

In Fig. 6 ist die mittlere Elektrode von der Formplatine (17) aus Fig. 5 entfernt worden. Die beiden Bereiche mit größerem Querschnitt sind bereits vorerwärmt (25, 26). Mit dem angedeuteten äußeren Stromkreis (28, 28a) kann die Platine (17) nunmehr fertigerwärmt werden.

Fig. 7, 8 und 9 zeigen eine Formplatine (29) mit einem schmalen und einem fischschwanzförmigen Ende in verschiedenen Erwärmungsstadien. Auf der Platine (29) befinden sich Elektroden am schmalen Ende (30), im Bereichswechsel (30a) vom kleinen zum großen Querschnitt und je eine in den Ecken des Fischschwanzes (31, 31a). An diesen Figuren ist die Erwärmung anspruchsvollerer Querschnittskonfigurationen dargestellt. Dabei wird die schrittweise Vorgehensweise besonders deutlich. In Fig. 7 wird mit einem ersten angedeuteten Stromkreis (33, 33a) am Fischschwanzende zunächst dieser Endbereich vorerwärmt (32).

In Fig. 8 wird der angedeutete Stromkreis (35, 36, 37) von den Fischschwanzelektroden (31, 31a) zur mittleren Elektrode (30a) im Bereichswechsel geschlossen. Dadurch wird ein weiterer Bereich der Platine (29) vorerwärmt (34).

In Fig. 9 wird der Stromkreis (39) von den Fischschwanzelektroden (31, 31a) zur äußeren Elektrode (30) am schmalen Ende verlegt. Dadurch kann die Platine (29) auch noch im letzten unerwärmten Bereich (38) zusammen mit allen Bereichen erwärmt werden, wobei das fischschwanzförmige Ende so ein annähernd gleiches Temperaturniveau wie die Mitte und das schmale andere Ende der Platine (29) erreicht.

Fig. 10 zeigt eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen in zwei getrennten Arbeitsstationen (40, 40a) mit jeweils 4 Elektroden (43, 43a, 43b, 43c, 43d, 43e, 43f, 43g) und einer Platine (44). In der Vorerwärmstation (40) sind die Elektroden (43, 43a, 43b, 43c) im mittleren Bereich der Platine (44) jeweils von oben und unten angeordnet und erwärmen diesen Bereich vor. In der Enderwärmungsstation (40a) sind die Elektroden (43d, 43e, 43f, 43g) an den Enden der Platine (44) platziert, um die Platine (44) vollständig zu erwärmen.

In Fig. 11 wird die Platine (44) aus Fig. 10 zunächst in derselben Einrichtung zum Vorerwärmen (40) wie aus Fig. 10 in der Mitte vorerwärmt. Anschließend wird die Platine (44) von zwei Greifern (45, 46), die zu Elektroden ausgebildet sind, am jeweiligen Ende gegriffen und dabei enderwärmt. In dieser Figur findet die Enderwärmung beim Transfer von der Vorerwärmung zur Weiterverarbeitung durch das Transportwerkzeug statt.

Fig. 12 zeigt zwei Greifer (47, 49), die als Elektroden ausgebildet sind und eine Platine (51) am jeweiligen Ende greifen und erwärmen können. Zudem besitzt jeder Greifer (47, 49) auf jeder Seite einen zusätzlichen Haltearm (48, 48a, 50, 50a) mit einer weiteren Elektrode, der zur Platine (51) hin oder von dieser weggeklappt werden kann. Damit können die Greifer (47, 49) eine Platine (51) auch in der Mitte vor- oder enderwärmen.

Fig. 13 zeigt eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen (52) mit einem Ober- (53) und einem Unterwerkzeug (54) mit vier Elektroden (56, 56a, 56b, 56c), die als Rollen ausgebildet sind. Eine Platine (55) wird durch die Rollen hindurchgeführt. Zwar kann die Platine (55) in dieser Einrichtung (52) leicht bewegt werden, allerdings bieten die Rollen nur eine geringe Auflagefläche.

Fig. 14 zeigt eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen und zum Umformen (57) mit einem speziell konturierten Oberwerkzeug (58) und einem dazu passend konturierten Unterwerkzeug (59) und vier Elektroden (61, 61a, 61b, 61c). In dieser Einrichtung (57) kann eine Platine (60) sowohl erhitzt als auch umgeformt werden.

Fig. 15 zeigt eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen (62) mit einem Ober- (63) und einem Unterwerkzeug (64) und mehreren hintereinander und gegenüberliegend angeordneten Elektroden (66, 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f, 66g, 66h, 66i, 66j, 66k). In diesem Beispiel kann eine Platine (65) durch Zu- und Abschalten bzw. durch Entfernen oder Hinzufügen verschiedener Elektroden (66, 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f, 66g, 66h, 66i, 66j, 66k) an verschiedenen Stellen vor- und schließlich enderwärmt werden.

In Fig. 16 ist eine Einrichtung zum Widerstandserwärmen (67) dargestellt, mit einem Oberwerkzeug (68) und einem Unterwerkzeug (69) und vier Elektroden (71, 71a, 71b, 71c) die jeweils beweglich auf Rollen (72, 72a, 72b, 72c) gelagert sind. Dadurch können die Elektroden an den gewünschten Stellen einer Platine (70) zum Vor- und Enderwärmen angeordnet werden.

Fig. 17 zeigt schematisch eine geschlossene Zelle (73) in der sich eine Erwärmungseinrichtung (78) mit zwei Elektrodensätzen (79, 80) und eine Umform- oder Härteeinrichtung mit einem Oberwerkzeug (77) und einem Unterwerkzeug (76) befindet, welche mittels eines Stößels (74) geschlossen werden kann. Außen an der Zelle (73) ist eine Druck- und Volumenausgleichseinrichtung (75) angebracht, um die Bewegungen des Stößels (74) und das dadurch verdrängte Volumen in der geschlossenen Zelle (73) auszugleichen. Die Zelle (73) kann durch zwei Türen (82, 83) mit Werkstücken (81) beschickt und wieder entleert werden. In diesem Beispiel ist die Zelle (73) mit Schutzgas gefüllt (84). Alternativ kann sie auch unter Vakuum stehen (84). Dadurch wird eine Verzunderung der einzelnen Werkstücke (81) verhindert. Unter Vakuum wird die Druck- und Volumenausgleichseinrichtung (75) nicht gebraucht.

Fig. 18 zeigt eine Erwärmungs- oder Umformeinrichtung (86), die von zwei Robotern (85, 87) beschickt wird. Einer der Roboter (87) trägt einen Transformator (88), der an eine Stromquelle (89) angeschlossen ist. Der eingekreiste Bildbereich ist in Fig. 19 im Detail dargestellt.

Wie in Fig. 19 dargestellt, trägt der Roboter (87) einen Transformator (88), der an eine Stromquelle (89) angeschlossen ist. Über zwei Kabel (90, 90a) ist der Transformator (88) mit zwei Elektroden (91, 92) an den Greifarmen des Roboters (87) verbunden. Mit diesen Elektroden kann der Roboter (87) ein Werkstück (93) greifen und während des Beschickens der Erwärmungs- und/oder Umformungseinrichtung (86) aus Fig. 18 vor- oder enderwärmen.

Insgesamt können mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der Vorrichtung alle Werkstücke aus elektrisch leitenden Materialien erwärmt werden, insbesondere Werkstücke aus Stahl, aber auch aus Nicht-Eisenmetallen wie Aluminium und Magnesium. Die Erfindung ist nicht auf Werkstücke für die Kraftfahrzeugtechnik beschränkt.

Claims (16)

1. Verfahren zum elektrischen Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks (1, 4) mittels Elektroden (2, 2a-2c, 5, 5a-5e), wobei das metallische Werkstück (1, 4) gezielt nur in definierten Bereichen vorerwärmt (3, 6, 7, 8) oder gekühlt wird und bei einem anschließenden Fertigerwärmen des gesamten Werkstücks (1, 4) ein definiertes Temperaturniveau in allen Bereichen des Werkstücks (1, 4) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Werkstück (1, 4) mit über seiner Länge ungleichmäßigem Querschnitt die Bereiche des Werkstücks (1, 4), die einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Werkstücks (1, 4) kleinen Querschnitt (q) aufweisen, bei der Vorerwärmung überbrückt werden, so dass sie sich nicht oder nur geringfügig erwärmen, wohingegen die Bereiche des Werkstücks (1, 4), die im Verhältnis zu den anderen Bereichen des Werkstücks (1, 4) einen großen Querschnitt (Q) aufweisen, auf ein bestimmtes Temperaturniveau vorerwärmt (3, 6, 7, 8) werden,
wonach anschließend das gesamte Werkstück (1, 4) erwärmt wird.

2. Verfahren zum elektrischen Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks (1, 4) mittels Elektroden (2, 2a-2c, 5, 5a-5e), wobei das metallische Werkstück (1, 4) gezielt nur in definierten Bereichen vorerwärmt (3, 6, 7, 8) oder gekühlt wird und bei einem anschließenden Fertigerwärmen des gesamten Werkstücks (1, 4) ein definiertes Temperaturniveau in allen Bereichen des Werkstücks (1, 4) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bereiche des Werkstücks (1, 4), die einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Werkstücks (1, 4) kleinen Querschnitt (q) aufweisen, gekühlt werden, so dass sie eine geringere Temperatur aufweisen als die Bereiche des Werkstücks (1, 4) mit im Verhältnis großem Querschnitt (Q),
wonach anschließend das gesamte Werkstück (1, 4) erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückung (15, 16) elektrisch und/oder thermisch erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperaturerhöhung die durch die unterschiedlichen Querschnittsflächen bedingten Unterschiede der elektrischen Widerstandswerte in den Teilbereichen mit größeren (Q) und kleineren (q) Querschnittsflächen kompensiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teilbereichen mit im Verhältnis sehr großen Querschnittsflächen Elektroden des Elektrodenkontaktmusters so angelegt werden, dass der Strom im wesentlichen quer zur Längsachse des Werkstücks fließt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vor- und eine Enderwärmung innerhalb derselben Arbeitsstation (62) vorgenommen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vor- oder Enderwärmung während des Transfervorgangs vom Transportwerkzeug (45, 46, 87) vorgenommen wird.

8. Einrichtung (40, 40a, 62) zum elektrischen Widerstandserwärmen eines metallischen Werkstücks (1, 4, 44, 65) mittels Elektroden (43, 43a-43g, 66, 66a-66k), die mit einem Elektrodenkontaktmuster (43, 43a-43g, 66, 66a-­ 66k) aus mehreren Elektroden und mit Mitteln zum Vorwärmen oder Kühlen definierter Bereiche ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vorwärmen Teil des Elektrodenkontaktmusters (43, 43a-­ 43c, 66, 66a-66k) sind.

9. Einrichtung (40, 40a, 62) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur gezielten Einstellung einer Temperaturerhöhung Kühlmittel zur Beaufschlagung der Teilbereiche mit kleineren Querschnittsflächen (q) umfassen.

10. Einrichtung (40, 40a, 62) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (43, 43a-43g, 66, 66a-66k) des Elektrodenkontaktmusters elektrische und/oder thermische Überbrückungsmittel aufweisen zur Überbrückung von Teilbereichen mit kleineren Querschnittsflächen (q).

11. Einrichtung (40, 40a, 62) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Überbrückungsmittel eine Plattenelektrode (11, 11a) und/oder elektrische Leitungen (21) aus Materialien, die elektrisch leitfähiger als das Metall des Werkstücks (9, 44, 65) sind, umfassen.

12. Einrichtung (87) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifarme eines Roboters (87) mit Elektroden (91, 92) in Form des Vorwärm- und/oder Gesamtwärmelektrodenkontaktmusters ausgebildet sind zum Vor- und/oder Gesamtwärmen des Werkstücks (93) während des Handlings.

13. Einrichtung (87) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifarme eines Roboters (87) mit Elektroden (91, 92) in Form des Vorwärm- und/oder Gesamtwärmelektrodenkontaktmusters ausgebildet sind zum Vor- und/oder Gesamtwärmen des Werkstücks (93) während des Transportes in ein Umformwerkzeug (86).

14. Einrichtung (47, 49) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenkontaktmuster mittels das Werkstück (51) randseitig umgreifender Greifvorrichtungen (47, 49) mit einem Elektrodenkontaktmuster aus Elektroden sowie schwenkbaren Elektrodenarmen (48, 48a, 50, 50a) ausgebildet ist.

15. Einrichtung (67) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenkontaktmuster (71, 71a-71c) mittels entlang des Werkstücks (70) verfahrbarer (Rollen-)elektroden (72, 72a-72c) gebildet ist.

16. Einrichtung (62) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenkontaktmuster (66, 66a-66k) durch eine Vielzahl von Elektroden, die gezielt steuerbar sind, gebildet ist.