DE19501873C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Werkstücken, insbesondere zum Härten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Werkstücken, insbesondere zum HärtenInfo
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- DE19501873C2 DE19501873C2 DE1995101873 DE19501873A DE19501873C2 DE 19501873 C2 DE19501873 C2 DE 19501873C2 DE 1995101873 DE1995101873 DE 1995101873 DE 19501873 A DE19501873 A DE 19501873A DE 19501873 C2 DE19501873 C2 DE 19501873C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen- von metallischen
Werkstücken, insbesondere zum Härten, nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Metallische Werkstücke wie insbesondere Wälzlagerteile (Außenringe,
Innenringe, Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, etc.) werden zur
Sicherstellung hoher Gebrauchsfestigkeit und Gebrauchsdauer gehärtet.
Es ist bekannt, Werkstücke aus härtbaren Legierungen auf Temperaturen
von etwa 850°C zu erwärmen, eine vorgegebene Zeitspanne auf dieser
Temperatur zu halten und danach in einem Ölbad oder Salzwärmbad
abzuschrecken.
Eine der herkömmlichen Anlagentechniken hierfür ist beispielsweise ein
sogenannter Röllchenherdofen, in dem die Erwärmung und Durchwärmung
unter Stickstoff durchgeführt wird. Hinter diesem Röllchenherdofen
befindet sich ein Öl- oder Salzbad. Die Werkstücke können hierbei
entweder einzeln in das Abschreckbad fallen oder chargenweise in das
Bad eingetaucht werden. Kugellagerteile werden in einer einzigen Lage
durch den Röllchenherdofen befördert, und zwar innerhalb eines
sogenanntes Feldes, Teil an Teil dicht gepackt. Das Eintauchen in das Bad
geschieht im Falle einer derartigen Charge diskontinuierlich, nachdem
jeweils ein Feld aus Ringteilen aus dem Ofen heraus über das
Abschreckbad befördert worden ist. Die betreffende Technologie führt nicht
nur zur Bildung von schädlichen Gasen und/oder Dämpfen, sondern auch
zu verbrauchten Abschreckbädern, die nach mehr oder weniger langer
Betriebszeit in aufwendigen Verfahren entsorgt werden müssen. Ganz
besonders aufwendig hat sich hierbei die Entsorgung der sogenannten
Salzbäder erwiesen.
Aus Umweltschutzgründen sollen in zunehmendem Maße die Öl- und
Salzbäder eliminiert und durch die gleichfalls bekannte Abschrecktechnik
durch gekühlte Gase ersetzt werden. Bei dieser Abschrecktechnik wird die
rasche Abkühlung der Werkstücke in beispielsweise 10 Sekunden von
800°C auf 500°C durch Anströmen mit gekühlten Inertgasen wie
beispielsweise Stickstoff erreicht. Es versteht sich, daß hierbei die
Abschreckwirkung um so größer ist, je niedriger die Temperatur und je
höher der Druck der Abschreckgase sind.
Durch die EP 0 313 889 A1 ist es bekannt, metallische Werkstücke mit
Inertgasen in einem Vakuumofen abzuschrecken, der alternierend als
Heizvorrichtung und als Kühlvorrichtung mittels eines einzigen Gebläses
betrieben werden kann. In der Heizphase wird zunehmend aufgeheiztes
Inertgas durch Heizrohre in den Chargenraum des Ofens gedrückt. In der
Abkühlphase wird der Ofen zusätzlich mit kaltem Inertgas beschickt, bis
ein Überdruck entstanden ist. Das Inertgas wird jetzt über einen im
gleichen Ofengehäuse angeordneten Kühler geleitet und danach über die
gleichen Rohre in den Chargenraum des Ofens gedrückt, die zuvor als
Heizrohre gedient haben. Zwischen diesen Rohren und dem Kühler
befindet sich eine hohlzylindrische Wärmedämmung, vor deren Stirnseiten
sich kreisscheibenförmige Wärmedämmplatten befinden. Durch Öffnen
und Schließen der Wärmedämmung kann der Ofenbetrieb von "Heizen"
auf "Kühlen" bzw. "Abschrecken" umgesteuert werden.
Obwohl sich die vorstehend beschriebene Technologie bisher gut bewährt
hat, sind dennoch Verbesserungen erstrebenswert: Zum einen erfolgt der
notwendige Gasaustausch zwischen dem Ofen und außenliegenden
Vorratsbehältern über verhältnismäßig enge Rohrleitungen, so daß eine
nicht unerhebliche Zeitverzögerung eintritt. Zum anderen müssen zwischen
der Heizphase und der Abkühl- bzw. Abschreckphase sämtliche
Einbauteile des Ofens bzw. der Ofenkammer an diesem erheblichen
Temperaturwechsel teilnehmen, was nicht nur eine gewisse Zeit erfordert,
sondern auch erhebliche Energieverluste mit sich bringt. Zum dritten hat
die Ofenkammer wegen der vorstehend beschriebenen Einbauteile
(Heizeinrichtung, Kühleinrichtung, Wärmedämmung und deren
Steuerelemente sowie Gebläse) ein ganz beträchtliches Volumen, in dem
auch bei Druckabsenkung auf Atmosphärendruck- unter teilweiser
Rückgewinnung des Inertgases ein ganz beträchtliches Gasvolumen
verbleibt, das nach dem Öffnen des Ofens zu Chargierzwecken an die
Atmosphäre entweicht und damit für weitere Prozesse verloren geht.
Es ist auch bekannt, die Abschreckung von härtbaren Werkstücken mit
Kühlgasen durchzuführen, die unter einem Druck von mehr als 20 bar
stehen. Daraus ergibt sich, daß Vakuumöfen, die in der Abkühlphase mit
derartigen Drücken betrieben werden, schon wegen ihres großen
Volumens eine ganz erhebliche Wandstärke aufweisen müssen, um
solchen Drücken widerstehen zu können. Besonders hohe Anforderungen
sind hierbei an die Dichtungsflansche zwischen der Ofenkammer und der
Ofentür zu stellen.
Die gattungsbegründende DE 28 44 843 A1 offenbart einen Industrieofen,
der eine Einheit aus Heizkammer und Abkühlvorrichtung bildet und sowohl
Heizeinrichtungen als auch einen Gaskühler und ein Gebläse innerhalb
des Ofengehäuses enthält. Das an eine externe Vakuumpumpe
angeschlossene Ofengehäuse besitzt ein großes Volumen mit der
Notwendigkeit entsprechend druckfester Gehäusewandungen. Durch die
ständige Aufheizung und Abkühlung sämtlicher innerhalb einer
Wärmedämmung liegenden Einbauteile entstehen beträchtliche
Energieverluste und Aufheiz- und Abkühlzeiten. Eine Vorratshaltung
nennenswerter vorgekühlter und unter Druck stehender Gasmengen ist
nicht möglich.
Dabei sind vorhandene Sperrschieber keine gasdichten Absperrventile, die
einer merklichen Druckdifferenz widerstehen können. Es handelt sich also
vielmehr nur um verschiebbare Wandungsteile der Wärmedämmung.
Auf beiden Seiten der Sperrschieber herrscht stets Druckgleichheit solange
wie keine hohen Gasgeschwindigkeiten auftreten. Damit ist es nicht
möglich, während der Zeit der Wärmebehandlung große Mengen
vorgekühlter Kühlgase bereit zu stellen und damit den Abkühlvorgang
schlagartig einzuleiten. Eine externe Kreislaufleitung hat nur ein
verschwindend geringes Volumen und enthält selbst weder ein Gebläse
noch einen Kühler, und sie steht auch mit ihrem einen Ende ständig mit
dem Innenraum des Ofengehäuses in Verbindung, so daß in der
Kreislaufleitung stets der gleiche Druck herrscht wie im Ofengehäuse
selbst. Ein weiterer Nachteil liegt in der Tatsache, daß das Gebläse erst
dann angestellt wird, wenn der Abschreckvorgang eingeleitet werden soll.
Motor und Gebläse haben eine erhebliche Massenträgheit, so daß das
Gebläse in seiner Drehzahl erst allmählich "hochläuft" und damit auch die
Kühlwirkung entsprechend langsam und zeitverzögert einsetzt. Dies ist für
die Härtung von Werkstücken aus niedrig legierten Stählen und/oder mit
größerer Wandstärke ein unbrauchbarer Zustand.
Der Aufsatz von Hoffmann u. a. "Möglichkeiten und Grenzen der
Gasabkühlung" in HTM 47 (1992) 2, Seiten 112 bis 122, offenbart lediglich
die Anwendung von Gasdrücken bis 20 bar, entsprechend hohen
Gasgeschwindigkeiten und Gasmengen. Die Eintritts- und
Austrittsöffnungen für das Kühlgas sind in der Decke und im Boden der
Heizkammer angebracht. Auch sind die Heizwiderstände stets im Innern
einer Wärmedämmung angeordnet.
Der Hinweis darauf, daß die Bereitstellung von Kühlgas zum Fluten der
kleinvolumigen Kühlschleuse keine großen Speicheranlagen erforderlich
macht, führt von der Erfindung weg, denn die Erfindung besteht gerade
darin, eine verhältnismäßig große Kühlgasmenge zur Verfügung zu stellen.
Durch die EP 0 562 250 A1 ist ein Rollenherdofen bekannt, dessen
Ofenkammer eine Kühlkammer zum Abschrecken von Werkstücken
unmittelbar nachgeschaltet ist. Die Kühlkammer besitzt keine
Heizeinrichtungen und ein möglichst kleines Volumen. Der Druckbereich
der Gase kann dabei zwischen 0,5 und 20 bar liegen. Die Kühlkammer ist
nach dem Einbringen der Werkstücke einseitig durch einen Deckel
verschließbar, während der äußere Gaskreislauf, der ein Gebläse und
einen Gaskühler enthält, gegenüber der Kühlkammer nicht gesondert
absperrbar ist. In der Kühlkammer und im Gaskreislauf herrschen also
stets gleiche Drücke. Über den Querschnitt oder das Speichervolumen der
Kreislaufleitungen ist nichts ausgesagt, und im Hinblick auf Gasverluste
nach dem Öffnen der Kühlkammer ist davon auszugehen, daß der
Gaskreislauf möglichst geringe Gasmengen enthält. Ein dort vorhandener
Gasentspannungsbehälter ist nicht Teil des Kühlkreislaufs, sondern dient
lediglich zur Aufnahme der entspannten Gase. Es wird also keine unter
Druck stehende Kühlgasmenge bereit gehalten, sondern es wird zunächst
der Deckel geschlossen und danach das Gebläse eingeschaltet. Hierbei
wird durch das Anlaufen des Gebläses sowohl in der Kreislaufleitung als
auch in der Abkühlkammer erst allmählich ein Druck aufgebaut. Die
Abschreckwirkung wird beim Stande der Technik dadurch erreicht, daß die
Werkstücke gezielt durch Gasstrahlen angeblasen werden. Diese
Maßnahme eignet sich nur für genau positionierte Werkstücke, bei denen
es sich entweder um einzelne Ringe oder um aufeinander gestapelte
Ringe handelt, an die die Kühlkammer und die Lage der Düsen besonders
angepaßt ist. Selbst wenn ein Werkstück auch aus mehreren kleinen
Einzelteilen bestehen kann, die in kleiner gleichmäßiger Schütthöhe auf
einem gasdurchlässigen Träger angeordnet sind, dann muß immer noch
die Kühlkammer mit dem Düsenfeld der Raumlage der Werkstücke
angepaßt sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, das technisch vorteilhaft und
wirtschaftlich betrieben werden kann, d. h. bei dem ein Temperaturwechsel
innerhalb kurzer Zeit und bei geringen Energie- und Gasverlusten
durchgeführt werden kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen
Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei das Vorhandensein einer
Kühlkammer, die ausschließlich zu Kühlzwecken verwendet wird und auch
entsprechend konstruiert ist. So besitzt diese Kühlkammer keine
innenliegenden Heizeinrichtungen und insbesondere auch keine
innenliegende Wärmedämmung; sie wird vielmehr im Zusammenhang mit
einem Wärme- oder Glühofen verwendet, der jedoch nicht Gegenstand der
Erfindung ist. Damit kann zunächst einmal die Kühlkammer ein relativ
kleines Volumen erhalten, das im wesentlichen nur der Chargengröße bzw.
der Größe des weiter oben beschriebenen "Feldes" an Werkstücken
entsprechen muß. Eine solche Kühlkammer läßt sich bei einer
schlagartigen Verbindung mit dem an sie angeschlossenen
Kreislaufsystem außerordentlich kurzzeitig mit dem unter Druck stehenden
Kühlgas beaufschlagen, das infolge eines entsprechenden Überdrucks
extrem kurzzeitig nicht nur die gesamte Kühlkammer ausfüllt, sondern
auch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über die Werkstücke geleitet
wird.
Da hierbei keine Einbauteile wie Heizeinrichtungen, Wärmedämmungen
und deren Steuerelemente sowie Gebläse abgekühlt werden müssen, geht
für diesen Vorgang weder Zeit verloren, noch sind unnötige
Energieverluste in Kauf zu nehmen; vielmehr wird das im Kreislauf
umgewälzte Kühlgas sofort und mit voller Intensität wirksam. Das
entsprechend geringe Volumen der Kühlkammer führt weiterhin dazu, daß
nach einer Druckabsenkung auf Atmosphärendruck durch Abpumpen des
Kühlgases nur ein verhältnismäßig geringer Rest an Kühlgas an die
Atmosphäre gelangen kann, wenn die gehärtete Charge der Kühlkammer
entnommen und eine neue erhitzte Charge in die Kühlkammer eingeführt
wird. Durch die Ersparnis an Zeit, Energie und Gas werden die
Betriebskosten ganz erheblich gesenkt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere im Zusammenhang
mit Wärme- und Glühofen durchgeführt werden, die ihre erhitzte Charge
bisher an Salz- oder Ölbäder abgegeben haben. Dadurch entsteht ein
kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich ablaufendes In-line-Verfahren, das
speziell in der Kugellagerfertigung zu einer hohen Wirtschaftlichkeit führt.
Darauf ist die Erfindung aber keineswegs beschränkt.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Menge des im Kreislaufsystem
bereitgehaltenen kalten Kühlgases besonders groß ist im Verhältnis zum
geometrischen Volumen der Kühlkammer. Dieses Ziel kann sowohl durch
ein entsprechend groß gewähltes Verhältnis der geometrischen Volumina
von Kreislaufsystem einerseits und Kühlkammer andererseits erreicht
werden, allerdings auch additiv oder alternativ dadurch, daß man das im
Kreislaufsystem bereitgehaltene Kühlgas unter einem möglichst hohen
überatmosphärischen Druck hält, vorzugsweise auf einem Druck von
mindestens 5 bar, besonders vorzugsweise auf einem Druck von
mindestens 8 bar. Die idealen Verhältnisse ergeben sich aus der
Überlegung, daß bei der strömungstechnischen Verbindung des
Kreislaufsystems mit der Kühlkammer ein Druckausgleich erfolgt. Da der
Druck in der Kühlkammer neben der Gasgeschwindigkeit und der
Gastemperatur entscheidend ist für den Abkühl- bzw. Abschreckverlauf,
sind entsprechend die geometrischen Volumina und die Druckverhältnisse
im Kreislaufsystem zu wählen.
Bei Verwendung von Inertgas als Kühlgas, beispielsweise von Stickstoff,
empfiehlt sich auch eine Füllung der Kühlkammer mit diesem Inertgas
unter gleichzeitiger Verdrängung oder Ausspülung der beim Chargieren in
die Kühlkammer eingetretenen Luft. Auf diese Weise wird die Reinheit des
Kühlgases über lange Zeit erhalten. Es ist natürlich alternativ auch
möglich, die Kühlkammer vor der Verbindung mit dem Kreislaufsystem zu
evakuieren, um die Umgebungsluft zu entfernen.
In besonders vorteilhafter Weise beträgt dabei das Verhältnis der
geometrischen Volumina von Kreislaufsystem und Kühlkammer
mindestens 5.
Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn man das Kühlgas in der
Bereitstellungsphase durch ein laufendes Gebläse im Wärmekontakt mit
einem Kühler hält. Hierdurch wird einmal gewährleistet, daß das Kühlgas
die optimal niedrige Temperatur beim schlagartigen Eintritt in die
Kühlkammer aufweist, zum anderen wird eine Erwärmung des Kühlgases,
die durch den Betrieb des Gebläses erfolgt, vermieden. Diese
Verfahrensmaßnahme ist dann besonders wirksam, wenn man das
Kühlgas in der Bereitstellungsphase durch eine Bypass-Leitung im
Kreislauf über den Kühler führt.
Da die Kühlkammer nach Beendigung der Abkühlphase notwendigerweise
mit unter Druck stehendem Kühlgas gefüllt ist, ist es zur Vermeidung
unnötiger Kühlgasverluste besonders vorteilhaft, wenn man nach dem
Abkühlen der Werkstücke das in der Kühlkammer befindliche, unter
Überdruck stehende Kühlgas bis zum Druckausgleich mit der Atmosphäre
in einen Sammelbehälter einleitet und aus diesem mittels eines
Kompressors in das Kreislaufsystem zurückfördert. Hierdurch werden ganz
erhebliche Kühlgasmengen wiedergewonnen, und nur die unter
Normaldruck stehende und dem Innenvolumen der Kühlkammer
entsprechende Kühlgasmenge geht durch den Chargenaustausch
verloren.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn man die Werkstücke mittels einer aus
Rollen bestehenden Transportbahn fördert und die in der Kühlkammer
angeordneten Rollen während des Abkühlvorganges mit alternierendem
Drehsinn antreibt, insbesondere dann, wenn der Drehwinkel für die
alternierende Drehbewegung zu mindestens 180 Grad gewählt wird.
Hierdurch wird verhindert, daß die für die Halterung der Werkstücke beim
Abkühlvorgang benötigte Auflage, die ohnehin durchbrochen ausgebildet
sein muß, eine örtliche Behinderung der Kühlwirkung am Werkstück
erzeugt oder gar die Kühlluft an dem betreffenden Oberflächenteil des
Werkstücks vorbeiführt. Durch die alternierende Drehbewegung der
Transportrollen wird eine oszillierende Bewegung der Werkstücke
senkrecht zu den Achsen der Transportrollen erreicht, wobei die
Oszillationsfrequenz so hoch gewählt werden sollte, daß eine möglichst
gleichmäßige Kühlwirkung über die gesamte Werkstückoberfläche erzielt
wird.
Die Verwendung von Rollen für die Auflage der Werkstücke ist dann
besonders vorteilhaft, wenn man die Kühlluft von unten her durch die
Rollenbahn gegen die Werkstücke bläst. In diesem Falle wirken nämlich
die Zwischenräume zwischen den Rollen als Düsen, die nicht nur eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugen, sondern auch eine hohe
Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen, aus
den Düsen austretenden Gasstrahlen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere
zum Abschrecken, von Werkstücken nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 9.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung
erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen
des Patentanspruchs 9.
Die mit einer solchen konstruktiven Ausbildung der Vorrichtung
verbundenen Vorteile ergeben sich aus den bereits oben im
Zusammenhang mit der Verfahrensführung beschriebenen Vorteilen.
Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn die Kreislaufleitung einerseits an
die Oberseite und andererseits an die Unterseite der Kühlkammer
angeschlossen ist und wenn die Ventile im Bereich der Anschlußstellen der
Kreislaufleitung an die Kühlkammer angeordnet sind.
Mit einer solchen Vorrichtung sind zwei Betriebsarten möglich, nämlich
einmal diejenige, bei der das Kühlen im Parallelstrom von oben nach unten
erfolgt, und zum anderen eine solche Betriebsweise, bei der das Kühlen im
Parallelstrom von unten nach oben erfolgt. Die zuletzt genannte
Betriebsweise ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Transportbahn die
bereits weiter oben beschriebene Rollenbahn verwendet wird. Dadurch,
daß die Ventile im Bereich der Anschlußstellen der Kreislaufleitung an die
Kühlkammer angeordnet sind, wird bei gegebenen Volumina von
Kühlkammer einerseits und Kreislaufsystem andererseits ein besonders
günstiges Volumenverhältnis erzeugt.
Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn die Ventile als Absperrklappen
ausgebildet sind. Solche Absperrklappen befinden sich auf dem Markt; sie
sind entlang ihres Flächenschwerpunktes doppelexzentrisch gelagert, so
daß auf beide Ventilhälften der gleiche Druck einwirkt und sich die
Druckwirkungen im Hinblick auf den Schwenkmechanismus gegenseitig
aufheben. Mit solchen Ventilen ist es in ganz besonders vorteilhafter
Weise möglich, einen schlagartigen Druckausgleich und einen
schlagartigen Einsatz der Kühlgasströmung herbeizuführen.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Kühlkammer quaderförmig
ausgebildet ist und die Absperrklappen der Ventile in ihrer Schließstellung
parallel zur Oberseite und zur Unterseite der Kühlkammer ausgerichtet
sind. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Ventilquerschnitte einen
möglichst großen Teil der Flächen von Oberseite und Unterseite der
Kühlkammer einnehmen. In diesem Falle erfaßt die schlagartig
einsetzende Kühlgasströmung einen möglichst großen Querschnitt der
Kühlkammer.
Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn zwischen den Ventilen und dem
Innenraum der Kühlkammer Gasleiteinrichtungen für die Homogenisierung
der Gasströmung in Bezug auf eine von den Werkstücken eingenommene
Fläche, das sogenannte "Feld", angeordnet sind. Derartige
Gasleiteinrichtungen haben die Wirkung sogenannter Diffusoren; sie
können aus Leitblechen, Lochsieben oder dergleichen bestehen. Eine
besonders vorteilhaft wirkende Gasleiteinrichtung entsteht jedoch dann,
wenn sich in der Kühlkammer eine aus untereinander parallelen
zylindrischen Rollen bestehende Transportbahn für die Werkstücke
befindet und wenn die Druckseite der Kreislaufleitung unterhalb der
Transportbahn in die Kühlkammer mündet. In diesem Fall wird die
Strömung von unten nach oben durch die Kühlkammer geführt, und die
besagte Rollenbahn dient als eine Reihenanordnung von schlitzförmigen
Düsen, die in Verbindung mit der oszillierenden Bewegung der Werkstücke
zu einer besonders intensiven und gleichmäßigen Kühlung führt.
Der Erfindungsgegenstand ist nicht auf Neukonstruktionen beschränkt,
vielmehr lassen sich auch bereits bestehende Wärme- und Glühöfen durch
Zuschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nachrüsten.
Der Erfindungsgegenstand ermöglicht wegen der Vermeidung von
Umweltbelastungen auch eine lückenlose Integration in die Fertigung der
Werkstücke, so daß eine mechanische Fertigung und die Härterei in ein
und demselben Fertigungsbereich durchgeführt werden können,
insbesondere im Sinne einer In-line-Fertigung. Hierdurch lassen sich die
Betriebskosten weiter senken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden
nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer vollständigen Anlage mit einem
Schnitt durch die Kühlkammer für eine von oben nach unten
gerichtete Kühlgasströmung,
Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch den Gegenstand von Fig. 1
entlang der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer aus parallelen Zylinderrollen
bestehenden Transportbahn mit einem aufgelegten
Außenring für ein Kugellager, und
Fig. 4 eine Variante des Gegenstandes nach Fig. 1 mit
entgegengesetzter Strömungsrichtung des Kühlgases für die
Anwendung einer Rollenbahn nach Fig. 3.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Kühlkammer 1 dargestellt, zu der ein
druckfestes Gehäuse 2 gehört. Im Innern der Kühlkammer 1 befindet sich
eine Transportbahn 3, die aus einer waagrechten Reihenanordnung
untereinander paralleler zylindrischer Rollen 4 besteht, wie dies aus Fig.
3 deutlicher ersichtlich ist. Im Bereich beider Enden der Transportbahn 3
besitzt das Gehäuse 2 auf gegenüberliegenden Seiten Absperrschieber 5
mit Hubeinrichtungen 6 für die Freigabe von Chargieröffnungen 7. Die
außerhalb dieser Chargieröffnungen vorhandenen Transportbahnen sind
der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Abstand zwischen den
einzelnen Transportbahnen kann durch Rollen 4a überbrückt werden, die
gemeinsam mit den Absperrschiebern 5 heb- und senkbar sind. Die
Transportrichtung der Werkstücke ist durch Pfeile 8 angegeben. Ein in der
Kühlkammer 1 befindliches Feld 9 von einzelnen Werkstücken, die in einer
Ebene in dichter Packung angeordnet sind, ist nur strichpunktiert
angedeutet (Fig. 1). Oberhalb und unterhalb dieses Feldes 9 befinden
sich Gasleiteinrichtungen 10 und 11, die aus Leitblechen bestehen und
dazu dienen, die Gasströmung möglichst gleichmäßig auf das Feld 9 von
Werkstücken auszubreiten. Die obere Gasleiteinrichtung 11 ist zur
Unterstützung ihrer Wirkung noch mit einem waagrechten Lochblech 12
versehen.
Die Kühlkammer 1 besitzt eine Oberseite 13 und eine Unterseite 14, in
denen Öffnungen 13a und 14a möglichst großen Querschnitts angeordnet
sind, von denen die Gasleiteinrichtungen 11 und 10 ausgehen.
An die Kühlkammer 1 ist eine Kreislaufleitung 15 angeschlossen, und zwar
einerseits an die Oberseite 13 und andererseits an die Unterseite 14. Zu
dieser Kreislaufleitung 15 gehören zwei waagrechte Leitungsabschnitte 16
und 17 und ein senkrechter Leitungsabschnitt 18 mit einem im Querschnitt
erweiterten Abschnitt 19, in dem ein Kühler 20 untergebracht ist, der aus
einer Rohrleitung mit einer Vielzahl von Windungen besteht, die radial und
axial mit entsprechenden Zwischenräumen gestaffelt angeordnet sind, so
daß für das Kühlgas ausreichende Strömungswege zur Verfügung stehen.
Im Innern des Kühlers 20 befindet sich ein Füllkörper 21, durch den die
Strömung durch den Kühler 20 gezwungen wird.
Unterhalb des Kühlers 20 befindet sich ein Gebläse 22, dessen
Gebläserad 23 von einem Elektromotor 24 angetrieben wird. Der untere
waagrechte Leitungsabschnitt 17 mündet in das Gebläse 22.
Der andere senkrechte Abschnitt der Kreislaufleitung 15 wird nahezu
vollständig durch die Kühlkammer 1 und zwei Ventile 25 und 26 gebildet,
deren Gehäuse gleichzeitig die Anschlußstellen für die Kreislaufleitung 15
bilden.
Es ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß die Kreislaufleitung 15 im Verhältnis zum
Volumen der Kühlkammer 1 einen sehr großen Querschnitt aufweist und
dadurch nicht nur einen hohen Durchsatz an Kühlgas durch die
Kühlkammer 1 ermöglicht, sondern auch als großes Speichervolumen für
das unter hohem Druck stehende Kühlgas dient, wenn die Ventile 25 und
26 geschlossen sind. Um in dieser Betriebsphase das Kühlgas auch
weiterhin durch das Gebläse 22 über den Kühler 20 führen zu können, ist
zwischen den waagrechten Leitungsabschnitten 16 und 17 eine Bypass-
Leitung 27 mit einem Absperrventil 28 vorgesehen. Durch diese
Maßnahme kann eine etwaige Restwärme des Kühlgases auch bei
geschlossenen Ventilen 25 und 26, d. h. während der Chargierphase,
abgeführt werden, und weiterhin wird verhindert, daß sich das Kühlgas
durch Gasverwirbelung mittels des Gebläserades 23 erwärmt.
Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Ventile 25 und 26 mit Absperrklappen
29 ausgestattet sind, die in Fig. 2 in ihrer Offenstellung strichpunktiert
dargestellt sind. Die Absperrklappen sind doppelexzentrisch gelagert und
werden durch Stellmotoren 30 angetrieben. In der in Fig. 2 dargestellten
Offenstellung verlaufen die Ebenen der beiden Absperrklappen 29
senkrecht und bilden dadurch einen kleinstmöglichen
Strömungswiderstand. In der nicht dargestellten Schließstellung der
Absperrklappen 29 verlaufen diese parallel zur Oberseite 13 und zur
Unterseite 14 der Kühlkammer 1. Die vorteilhafte Wirkung derartiger
Ventile mit Absperrklappen wurde bereits in der allgemeinen Beschreibung
erläutert. Es ist aus den Zeichnungen erkennbar, daß die
Ventilquerschnitte einen möglichst großen Teil der Flächen von Oberseite
13 und Unterseite 14 der Kühlkammer 1 einnehmen.
Fig. 1 ist noch zu entnehmen, daß die Kühlkammer 1 über eine Leitung
31 mit einem Absperrventil 32 an eine Sammelkammer 33 angeschlossen
ist, die ihrerseits über einen Kompressor 34 und ein weiteres Absperrventil
35 mit der Kreislaufleitung 15 verbunden ist. Diese Maßnahme dient dazu,
das nach Beendigung der Abkühlphase und nach dem Schließen der
Ventile 25 und 26 in der Kühlkammer 1 befindliche und noch unter hohem
Druck stehende Kühlgas in die Sammelkammer 33 zu überführen und
dabei einen Druckausgleich bis auf etwa Atmosphärendruck
herbeizuführen. Nach dem Schließen des Absperrventils 32 kann alsdann
die Kühlkammer 1 mittels der Absperrschieber 5 geöffnet werden, so daß
die Kühlkammer 1 entladen und neu chargiert werden kann. Das in der
Sammelkammer 33 befindliche Kühlgas kann auch dazu verwendet
werden, die nach dem Chargieren in der Kühlkammer 1 befindliche Luft zu
verdrängen.
Es ergibt sich aus den Fig. 1 und 2, daß das gesamte System auf
einen hohen Gasdruck, hohe Gasdurchsätze bzw. Gasgeschwindigkeiten
ausgelegt ist und insbesondere auch im Hinblick auf eine hohe
Stellgeschwindigkeit der Ventile 25 und 26. Es ergibt sich weiterhin, daß
das geometrische Volumen der Kühlkammer 1 kleinstmöglich und das
geometrische Volumen der Kreislaufleitung 15 unterhalb einer vertretbaren
Obergrenze größtmöglich ausgelegt sind, um beim Druckausgleich durch
Öffnen der Ventile 25 und 26 einen möglichst geringen Druckabfall in Kauf
nehmen zu müssen. Je kleiner das geometrische Volumen der
Kreislaufleitung 15 ist, um so höher muß dort der Druck vor dem
Druckausgleich eingestellt werden, damit in der Kühlkammer 1 ein
vorgegebener Druck für die Kühlphase erreicht wird. Als Druckerzeuger für
das Füllen des Systems kann beispielsweise der Kompressor 34
verwendet werden, wenn in die Leitung 36 zwischen der Sammelkammer
33 und dem Kompressor 34 ein Zwei-Wege-Ventil eingebaut wird, dessen
eine Eintrittsleitung an eine Gasversorgungseinrichtung für Kühlgas
angeschlossen ist, was hier jedoch nicht im einzelnen dargestellt ist.
Die sogenannte Druckseite der Kreislaufleitung 15 befindet sich auf der
Seite des Ventils 25, was hier durch einen Pfeil 37 angedeutet ist. Dies
bedeutet, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 die
Werkstücke im Feld 9 von oben nach unten angeströmt werden, so daß in
diesem Falle das Lochblech 12 eine zweckmäßige Ergänzung der oberen
Gasleiteinrichtung 11 darstellt.
Fig. 3 zeigt in erheblich vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der
Transportbahn 3 innerhalb des Gehäuses 2 mit zylindrischen und parallel
zueinander angeordneten Rollen 4, auf denen ein Werkstück 38 aufliegt,
das im vorliegenden Falle durch den Außenring eines Wälzlagers gebildet
wird. Ein solcher Ring hat beispielhaft einen Außendurchmesser von
100 mm, einen Innendurchmesser von 80 mm und eine Höhe von 20 mm,
so daß sich eine Wandstärke von 10 mm ergibt. Es ist Fig. 3
insbesondere zu entnehmen, daß zwischen den Rollen 4 Spalte gebildet
werden, deren Breite etwa ein Drittel des Durchmessers der Rollen 4
entspricht. Diese Spalte bilden gewissermaßen Schlitzdüsen, durch die
das Kühlgas in Richtung der Pfeile 39 hindurchgefördert werden kann, so
daß eine hohe Strömungsgeschwindigkeit entsteht. Diese
Verfahrensführung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Richtung
der Kühlgasströmung gegenüber Fig. 1 umgekehrt wird, d. h. wenn die
Druckseite der Kreislaufleitung 15 unterhalb der Kühlkammer 1 liegt,
worauf im Zusammenhang mit Fig. 4 noch näher eingegangen wird.
Die Werkstücke 38 liegen unter linienförmiger Berührung auf den Rollen 4
auf, und diese Rollen würden natürlich zu einer "Abschattung" des
Kühleffekts führen, wenn sich die Werkstücke 38 im Ruhezustand befinden
würden. Um eine möglichst gleichförmige Kühlung bei dennoch extrem
hoher Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen, sind sämtliche Rollen 4 mit
einem Reversierantrieb 40 verbunden, der in Fig. 3 nur schematisch
angedeutet ist, aber natürlich auf alle Rollen 4 einwirkt. Mittels dieses
Reversierantriebes wird in der Abkühlphase eine periodische alternierende
Drehrichtung der Rollen 4 erzwungen, wobei der Drehwinkel mindestens
180 Grad beträgt. Bei entsprechend hoher Frequenz der
Drehrichtungsumkehr innerhalb des Abkühlzyklus werden dadurch alle
Oberflächenelemente des Werkstücks 38 bzw. aller Werkstücke 38 quasi
gleichmäßig vom Kühlgas beaufschlagt, so daß im Effekt ein
gleichförmiger Abschreckvorgang erzielt werden kann. Es versteht sich,
daß beim Beladen einerseits und beim Entladen der Kühlkammer 1
andererseits der Reversierantrieb 40 auch auf eine gleichgerichtete
Transportrichtung umgeschaltet werden kann.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Druckseite der Kreislaufleitung 15 im
Bereich des unteren Ventils 26 liegt, was durch den Pfeil 41 angedeutet ist.
Dadurch gelten für den Abkühlvorgang die in Fig. 3 erläuterten
Strömungsverhältnisse. Durch die Düsenwirkung der Rollen 4 entfällt
dadurch auch das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Lochblech 12. Durch
die in Fig. 4 umgekehrte Strömungsrichtung ergibt sich auch eine
umgekehrte Einbaulage von Gebläse 22 und Kühler 20, und zwar ist in
diesem Falle das Gebläse 22 über dem Kühler 20 angeordnet.
Infolgedessen mündet der waagrechte Leitungsabschnitt 16 in das
Gebläse 22, das gleichfalls als Radialgebläse ausgeführt ist, und dieses
mündet wiederum in den erweiterten Abschnitt 19 mit dem Kühler 20.
Selbstverständlich kann auch die Anordnung nach Fig. 4 durch die By
pass-Leitung 27 mit dem Absperrventil 28 nach Fig. 1 erweitert werden,
und auch die Anlage nach Fig. 4 wird zweckmäßigerweise mit einer
Sammelkammer 33 analog Fig. 1 betrieben.
Es ergibt sich aus dem vorstehend geschilderten Zusammenhang, daß die
Kühlgasströmung schlagartig einsetzt, sobald die Ventile 25 und 26
geöffnet werden und das Absperrventil 28 geschlossen wird, sofern eine
Bypass-Leitung 27 vorhanden ist. Durch die fortgesetzte Rotation des
Gebläserades 23 werden die Werkstücke auch schlagartig mit der
Kühlgasströmung beaufschlagt, d. h. es bedarf nicht erst eines
zeitaufwendigen Hochlaufens des Elektromotors 24 mit dem Gebläserad
23. Will man eine Erwärmung des Gases in der Kreislaufleitung 15 bei
geschlossenen Ventilen 25 und 26 vermeiden, so kann zwischen dem
Gebläserad 23 und dem Elektromotor 24 eine hier nicht gezeigte Kupplung
vorgesehen werden, d. h. der Elektromotor 24 wird auf seiner
Betriebsdrehzahl gehalten, und das Gebläserad 23 wird bei Beginn der
Abkühlphase schlagartig zugeschaltet. Da die rotierende Masse des
Elektromotors 24 in der Regel sehr viel größer ist als die rotierende Masse
des Gebläserades 23, kann dieses Gebläserad schneller auf
Betriebsdrehzahl gebracht werden, als wenn die Kombination von
Elektromotor und Gebläserad gemeinsam auf die Betriebsdrehzahl
hochgefahren werden müßte.
In einer Vorrichtung nach den Fig. 3 und 4 wurden Felder 9 mit jeweils
5 × 5 in möglichst enger Nachbarschaft zueinander angeordneten
Außenringen von Kugellagern abgeschreckt und gehärtet, wobei diese
Außenringe die Dimensionen aufwiesen, die im Zusammenhang mit Fig.
3 beschrieben wurden. Die betreffenden Ringe bestanden aus der
Legierung 100Cr6, d. h. einem ausgesprochenen "Ölhärter". Zu Beginn der
Abschreckphase befanden sich die Werkstücke auf einer Temperatur von
850°C, und der Außenumfang des mit 5 × 5 Ringen bestückten Feldes
betrug 550 mm × 550 mm. Dieses Feld von Kugellagerringen wurde in der
Abkühlphase bei einem Druck in der Kühlkammer von 10 bar und einer
Gasgeschwindigkeit von 12 m pro Sekunde und einer Gastemperatur von
etwa 30°C innerhalb einer Zeitspanne von 30 Sekunden auf eine
Endtemperatur von 100°C abgeschreckt, wobei die geforderte Härtung
erzielt wurde. Es handelte sich um eine Abkühlgeschwindigkeit, wie sie
üblicherweise auch unter Verwendung von Abschrecköl erreicht wird. Die
gemessene Härtequalität der Ringe betrug an ihrer gesamten Oberfläche
64HRC. Die gesamte Zykluszeit für das Öffnen der Absperrschieber 5, das
Zusammenfahren der Rollenbahnen, das Einfahren der Werkstücke 38,
das Trennen der Rollenbahnen, das Schließen der Absperrschieber 5, das
Fluten der Kühlkammer bzw. Öffnen der Ventile 25 und 26, das Kühlen,
das Ablassen des Kühlgases in den Sammelbehälter 33, das Öffnen der
Absperrschieber 5 und das Ausfahren der Werkstücke 38 betrug hierbei
nur 66 Sekunden.
Claims (19)
1. Verfahren zum Abkühlen von metallischen Werkstücken,
insbesondere zum Härten, mittels unter überatmosphärischem
Druck stehender, durch ein Gebläse (22) und eine externe
Kreislaufleitung (15) in einem druckfesten Kreislauf über einen
Kühler (20) geführter Gase in einer Kühlkammer (1) mit zwei
Absperrventilen (25, 26), die zum Zwecke des Abkühlens geöffnet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Werkstücke aus
einem Wärmeofen in eine von Heizeinrichtungen freie Kühlkammer
(1) anliefert und ein Kreislaufsystem mit einer externen
Kreislaufleitung (15) verwendet, in der der Kühler (20) angeordnet
ist und deren geometrisches Volumen größer ist als das
geometrische Volumen der Kühlkammer (1), daß man in der
zunächst beidseitig gegenüber der Kühlkammer (1) gasdicht
abgesperrten Kreislaufleitung (15) eine unter Druck stehende kalte
Gasmenge bereithält, die Kühlkammer (1) über eine absperrbare
Chargieröffnung (7) aus dem Wärmeofen mit den Werkstücken (38)
beschickt und die Chargieröffnung (7) schließt, danach die
gasdichten Absperrventile (25, 26) der Kühlkammer (1) gegenüber
der Kreislaufleitung öffnet und die darin gespeicherte Gasmenge zur
Kühlung über die Werkstücke (38) leitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
geometrische Volumen der im Kreislaufsystem bereitgehaltenen
gekühlten Gasmenge mindestens das Fünffache des
geometrischen Volumens der Kühlkammer (1) beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in
der Bereitstellungsphase das Kühlgas durch das laufende Gebläse
(22) im Wärmekontakt mit dem Kühler (20) hält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Kühlgas in der Bereitstellungsphase durch eine Bypass-Leitung
(27) im Kreislauf über den Kühler (20) führt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
nach dem Abkühlen der Werkstücke (38) das in der Kühlkammer (1)
befindliche, unter Überdruck stehende Kühlgas bis zum
Druckausgleich mit der Atmosphäre in einen Sammelbehälter (33)
einleitet und aus diesem mittels eines Kompressors (34) in das
Kreislaufsystem zurückfördert.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Werkstücke mittels einer aus Rollen (4) bestehenden
Transportbahn (3) durch die Kühlkammer (1) fördert und die in der
Kühlkammer (1) angeordneten Rollen (4) während des
Abkühlvorganges mit alternierendem Drehsinn antreibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drehwinkel für die alternierende Drehbewegung zu mindestens
180 Grad gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Kühlluft von unten her durch die Rollenbahn (3) gegen die
Werkstücke (38) bläst.
9. Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von
Werkstücken durch unter Druck stehende Kühlgase mit einer
Kühlkammer (1) mit zwei Absperrventilen (25, 26) zur Aufnahme der
Werkstücke, mit einer druckfesten äußeren Kreislaufleitung (15), mit
einem Kühler (20) und einem Gebläse (22) für die Umwälzung der
Kühlgase über die Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlkammer (1) druckfest ausgebildet und von Heizeinrichtungen
frei ist, daß die Kreislaufleitung (15) auf mindestens zwei
gegenüberliegenden Seiten der Kühlkammer (1) an diese
angeschlossen , gegenüber der Kühlkammer (1) durch die
gegenüberliegenden Absperrventile (25, 26) druckdicht absperrbar
ist, daß die Kreislaufleitung (15) ein geometrisches Volumen
aufweist, das größer ist als das geometrische Volumen der
Kühlkammer (1), und daß der Kühler (20) und das Gebläse (22) in
der druckdicht absperrbaren Kreislaufleitung angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
geometrische Volumen der Kreislaufleitung (15) mindestens das
Fünffache, vorzugsweise mindestens das Achtfache, des
geometrischen Volumens der Kühlkammer (1) beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kreislaufleitung (15) einerseits an die Oberseite (13) und
andererseits an die Unterseite (14) der Kühlkammer (1)
angeschlossen ist und daß die Ventile (25, 26) im Bereich der
Anschlußstellen der Kreislaufleitung (15) an die Kühlkammer (1)
angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ventile (25, 26) als Absperrklappen (29) ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlkammer (1) quaderförmig ausgebildet ist und daß die
Absperrklappen (29) der Ventile (25, 26) in ihrer Schließstellung
parallel zur Oberseite (13) und zur Unterseite (14) der Kühlkammer
(1) ausgerichtet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ventilquerschnitte einen möglichst großen Teil der Flächen von
Oberseite (13) und Unterseite (14) der Kühlkammer (1) einnehmen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Ventilen (25, 26) und dem Innenraum der
Kühlkammer (1) Gasleiteinrichtungen (10, 11) für die
Homogenisierung der Gasströmung in Bezug auf eine von den
Werkstücken eingenommene Fläche angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich
in der Kühlkammer (1) eine aus untereinander parallelen
zylindrischen Rollen (4) bestehende Transportbahn (3) für die
Werkstücke (38) befindet und daß die Druckseite der
Kreislaufleitung (15) unterhalb der Transportbahn (3) in die
Kühlkammer (1) mündet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rollen (4) mit einem Reversierantrieb (40) verbunden sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich
zwischen Druckseite und Saugseite der Kreislaufleitung (15) eine
absperrbare Bypass-Leitung (27) befindet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlkammer (1) über eine absperrbare Leitung (31) mit einer
Sammelkammer (33) für das Kühlgas verbunden ist, die ihrerseits
über einen Kompressor (34) mit der Kreislaufleitung (15) verbunden
ist.
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