DE19600479C2

DE19600479C2 - Wärmebehandlungsanlage zum Lösungsglühen von Aluminium-Legierungsbauteilen in der Luftfahrtindustrie

Info

Publication number: DE19600479C2
Application number: DE19600479A
Authority: DE
Inventors: Hans Doersing; Dietmar Mietrach
Original assignee: DaimlerChrysler Aerospace AG; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2016-01-10
Also published as: DE19600479A1; ES2166422T3; US5837187A; RU2123063C1; JP3242341B2; EP0784098A1; EP0784098B1; JPH1081946A; DE59608008D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsanlage zum Lösungsglühen von Aluminium-Legierungsbauteilen in der Luftfahrtindustrie gemäß bestehender Fertigungsvorschrif ten, insbesondere von ebenen Platinen oder umgeformten Bauteilen von vorgegebenen Mindest- und Maximalabmessungen, wobei die Bauteile einem Wärmebehandlungs-, Abschreck-, Reinigungs- und einem Trocknungsvorgang unterzogen werden, wobei ein einem Transportband und/oder Transportrollen im Aufgabebereich der Bauteile nachgeordneter Durchlaufofen mit einem die Bauteile durch den Durchlaufofen fördernden Transportband und/oder Transportrollen und mit einer Hei zung zur Aufheizung der Bauteile auf Lösungsglühtemperatur ausgerüstet ist, wobei dem Durchlaufofen eine ein flüssi ges Abschreckmedium enthaltende Einrichtung zur Abschrec kung der Bauteile nachgeordnet ist, und wobei sich an die Abschreckeinrichtung ein Reinigungs- und Trocknungssystem anschließt.

Bei der Metallbearbeitung/-umformung werden u. a. Metalle einem verfestigenden Verformungsvorgang unterzogen. Es ist bekannt, vor bzw. nach einem derartigen Verformungsvorgang ein "Weichglühen" durchzuführen, mit dem die verspannten und deformierten Metallkristallstrukturen aufgelöst und neue Kristalle gebildet werden. Diese verhalten sich dann wieder wie das Gefüge des unverformten Metalls, so daß die Metalle in einem neuen Arbeitsgang weiterverformt werden können. Dieser "weiche" Zustand ermöglicht eine gute Ver formung des Metalls.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei einem Teil von Aluminium- Legierungen die Festigkeit durch spezielle Warmbehandlungs methoden wie z. B. das Lösungsglühen nach dem Umformvorgang erhöht werden kann. Hierzu werden die Al-Legierungen bei spielsweise in einem Salzbad- oder Luftumwälzofen bei ca. 500°C bis 520°C geglüht. Für die Warmbehandlung ist ein manuelles Aufbinden der Teile auf Gestelle bzw. ein Lagern in Körben notwendig. Nach Durchführung des Glühvorgangs er folgt ein sofortiges Abschrecken in Wasser von stets unter 20°C oder für dünne Bauteile in einem Luftstrom. Anschlies send kann bei bestimmten Legierungen ein künstlicher Alte rungsprozeß durch Lagerung in einem Ölbad oder in einem elektrisch beheizten Luftumwälzofen bei ca. 100°C bis 200°C für 1/2 bis 24 Stunden durchgeführt werden. Die dem Metall aus dem Salzbadofen anhaftenden Salzreste sind sorgfältig zu entfernen, da sie das Metall angreifen.

In der DE 40 35 155 C1 ist eine Anlage zum Vergüten von Kleinteilen aus Metall beschrieben. Diese Anlage besteht aus einer Vorrichtung zum Abschrecken der Kleinteile, welche aus einem Wärmebehandlungsofen kommen, aus einem Behälter zum Aufnehmen eines Salzwarmbades, einem Fallschacht zum über führen der Kleinteile vom Wärmebehandlungsofen in den Be hälter, einer in dem Behälter angeordneten Auffangeinrich tung für die Kleinteile, einer Umwälzeinrichtung für das Salzwarmbad, einem Hebezeug zum Herausheben der abgeschreck ten Kleinteile aus dem Behälter und einer Nachbehandlungs vorrichtung, in welche die Kleinteile durch das Hebezeug überführt werden. Als Auffangeinrichtung ist eine drehbare Anordnung aus wenigstens drei Körben vorgesehen, die durch einen schrittweise arbeitenden Drehantrieb aufeinanderfol gend mit ihrer Einfüllöffnung unter dem Fallschacht positio niert werden. Mit dieser bekannten Anlage wird ein blasen freies Eintauchen der Metall-Kleinteile nicht erzielt, da die Kleinbauteile durch den Fallschacht praktisch senkrecht in einen der im Salzbad befindlichen Körbe überführt werden. Um zu verhindern, daß durch die in das Bad fallenden Metall teile Salzspritzer bis zum Durchlaufofen gelangen, ist zur Bildung eines Schleiers im Fallschacht dieser von einem durch einen Kranz von Öffnungen mit dem Fallschacht in Ver bindung stehenden Ringkanal umgeben. Es handelt sich somit um ein undefiniertes Eintauchen, welches an den Bauteilen zu einer sogenannten "Weichfleckigkeit" führt.

Aus dem "DE-B.: Aluminium-Taschenbuch" der Aluminium-Zentra le, 14. Auflage, Aluminium-Verlag Düsseldorf 1983, S. 431 bis 432 und 492 bis 500 sind verschiedene Bedingungen für die Wärmebehandlung zum Aushärten von Knetlegierungen, An haltswerte für die Lösungsglühdauer von Blechen, Bändern und Platten aus aushärtbaren Knetlegierungen sowie Abschreckzei ten für aushärtbare Aluminiumlegierungen ersichtlich.

Verschiedene Ofenanlagen für die Wärmebehandlung von Massen kleinteilen sind in DE-Z.: "Draht 39 (1988) 3, S. 417 bis 421" beschrieben, und zwar beispielsweise Drahtgliederband- Durchlauföfen oder Guß-Plattenband-Durchlauföfen. Bei diesen bekannten Ofenanlagen erfolgt der Transport der Massenklein teile mittels Transportbändern.

In der DE-OS 15 08 399 ist eine Vorrichtung zum Härten von Stahlringen, vorzugsweise von Lagerringen mit Härtungen von im Durchlaufofen erwärmten Ringen beschrieben, wobei der Ofen eine in Form von Rollen gestaltete Sohle aufweist. Diese Rol len dienen als Transportrollen für die Lagerringe durch den Durchlaufofen.

Weiterhin ist aus der EP 0 684 318 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken mittels einer wässrigen Polymerlösung bekannt. Hierbei soll - unter Beibe haltung aller Vorteile der Abschreckung durch wässrige Lö sungen polymerer Substanzen - der Ofenraum und evtl. Vorkam mern sehr wirksam gegen das Eindringen von Wasserdampf ge schützt werden. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Ab schreckbehälter außerhalb der Abschreckphase in einen Vor ratstank entleert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebehand lungsanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein blasen- und verzugsfreies Lösungsglühen von Aluminium-Legierungsbauteilen fehlerfrei nach vorgegebenen Fertigungsvorschriften bei minimalen Prozeßzeiten unter re produzierbaren Prozeßbedingungen mit minimalen bzw. keinen Verzug automatisch durchführbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

- daß im Durchlaufofen eine Aufheizung der Bauteile auf eine von der verwendeten Legierung abhängige Lösungsglühtempe ratur von 470°C bis 570°C bei einer vorgegebenen Heiz-Hal tezeit von 10-25 min erfolgt,
- daß die Transportbänder und/oder Transportrollen Bestand teile eines Fördersystems zur unbefestigten Aufnahme und zum Transport der Bauteile durch die gesamte Anlage sind,
- daß zum blasenfreien Eintauchen der Bauteile unter einem vorgegebenen Winkel in das Abschreckmedium der Abschreck einrichtung das Transportband des Durchlaufofens in sei nem Endbereich unter einem vorgegebenen Winkel von etwa 15° gegenüber seiner horizontalen Lage verläuft sowie das nachgeordnete Transportband im Übergabebereich vom Durch laufofen und Abschreckeinrichtung eine Schräge mit einem einstellbaren Winkel von 45° bis 75° gegenüber der Hori zontalen bildet,
- daß die Bauteile mittels eines Förderbandes durch das Rei nigungs- und Trocknungssystem führbar sind,
- und daß ein Prozeßsteuersystem zur Steuerung und Überwah hung aller für eine einwandfreie Wärmebehandlung der Bau teile erforderlichen Parameter und Verfahrensabläufe vor gesehen ist.

Erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 17 beschrieben.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die (vorzugsweise) als Durchlaufofen mit integrierter Abschrec kung konzipierte Wärmebehandlungsanlage in räumlicher Nähe einer Presse zur Verformung der Bauteile angeordnet werden kann. Damit ist u. a. ein bedarfsgerechtes Warmbehandeln der Teile mit minimalem Aufwand und durch das Pressenpersonal möglich. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht in einer verzugsarmen Abschreckung der erhitzten Bauteile. Die Zeitspanne, von der die Bauteiltemperatur an einer Stelle die Lösungsglühtemperatur unterschreitet bis zum völligen Eintauchen des Bauteiles in das Abschreckbad wird Abschreck verzögerungsdauer genannt. Die maximal zulässige Abschreck verzögerungsdauer von beispielsweise 7 sec. darf nicht über schritten werden. Vielmehr ist die Anlage so auszulegen, daß diese Zeitspanne möglichst deutlich unterschritten wird, wo mit eine Qualitätsverbesserung erzielt wird. Ein großer Vor teil ist auch der Entfall des manuellen Aufbindens vor der Warmbehandlung und des Abbindens nach dem Abschrecken.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: eine Wärmebehandlungsanlage mit Angabe der für die Teil-Anlagensysteme wesentlichen Prozeßparameter,

Fig. 2: den Übergabebereich von Durchlaufofen und Abschreck einrichtung der Wärmebehandlungsanlage in vergrös serter Darstellung, und

Fig. 3: ein Blockschaltbild eines für die Anlage verwend baren Prozeßrechners.

In Fig. 1 ist im Aufgabebereich von Aluminium-Legierungs- Bauteilen ein Transportband 2 dargestellt, welches ebenso wie weitere Transportbänder 3 bis 7, die den einzelnen Teil- Anlagensystemen zugeordnet sind, Bestandteil eines die Bau teile aufnehmenden und diese durch die Wärmebehandlungsan lage transportierenden Fördersystems 1 ist. Die Transport geschwindigkeiten und Haltezeiten der Transportbänder wer den durch einen in Fig. 3 dargestellten Prozezßrechner zu einander synchron gesteuert, wobei die zugehörigen Motoren mit 8 und die Regler mit 9 bezeichnet sind.

Dem Transportband 2 ist ein Durchlaufofen 10 nachgeordnet, dessen zugehöriges Transportband 3 unter einer von dem Pro zeßsteuersystem gesteuerten elektrischen Heizung 11, vor zugsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, zur Auf heizung der auf dem Transportband 3 lose aufliegenden Bau teile auf eine Lösungsglühtemperatur von 470°C-570°C in Abhängigkeit von der Legierung bei einer vorgegebenen Heiz-Haltezeit von 10 bis 25 min vorbeigeführt ist.

Der Durchlaufofen 10, dessen Ofennutzbreite 2500 mm, dessen Ofennutzraumhöhe mindestens 160 mm betragen kann und dessen Ofennutzraumlänge vom Bauteildurchsatz, der Temperaturhalte zeit und vom Fördersystem abhängt sowie dessen Betriebstem peratur in einem Bereich von T_min = 300°C bis T_max = 600°C regelbar ist, weist weiterhin eine vorgegebene Anzahl von nicht näher bezeichneten Wärmeregelzonen zur Erzielung einer vorgeschriebenen Wärmebehandlungs-Güteklasse für die Bauteile auf. Auch können im Ein- und Ausgangsbereich des Durchlauf ofens 10 Ofentüren oder andere Mechanismen zur Vermeidung von Wärmeverlusten vorgesehen sein, die von dem Prozeßsteuersys tem ereignisgesteuert sind. Ferner ist die Anordnung von Thermoelementen, deren gemessene Temperaturwerte dem Prozeß steuersystem zur Auswertung zugeführt werden, und von einer von dem Prozeßsteuersystem gesteuerten Gebläseeinrichtung 12 im Durchlaufofen 10 vorgesehen.

Dem Durchlaufofen 10 ist eine Wasser-Glykol-Lösung, deren Glykolanteil z. B. 25 bis 30 Volumenprozente betragen kann, oder ein anderes flüssiges Abschreckmedium 13 wie beispiels weise eine Wasser enthaltende Einrichtung 14 zur Abschrec kung der Bauteile nachgeordnet. Die Abschreckeinrichtung 14 kann mit einer Umwälzanlage 15 zur Badbewegung, einem Be füllungs- und Entleerungssystem 16, einem Temperaturüber wachungsgerät 17 und mit einer Rückkühlanlage 18 ausgerüstet sein, deren Betriebsabläufe von dem Prozeßsteuersystem steu erbar sind.

Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß das Fördersystem 1 im Über gabebereich zwischen Durchlaufofen 10 und Abschreckeinrich tung 14 derart ausgebildet ist, daß die Bauteile unter ei nem vorgegebenen Winkel blasenfrei in das Abschreckmedium 13 eintauchen. Hierzu verläuft das Transportband 3 des Durch laufofens 10 in seinem Endbereich unter einem vorgegebenen Winkel von etwa 15° gegenüber seiner horizontalen Lage. Ein nachgeordnetes eine Rutscheinrichtung darstellendes Trans portband 4 bildet im Übergabebereich eine Schräge mit einem einstellbaren Winkel von 45° bis 75° gegenüber der Ho rizontalen.

Gemäß Fig. 1 schließen sich an die Abschreckeinrichtung 14 ein Reinigungssystem 19 und ein Trocknungssystem 20 an, durch welche die Bauteile mittels eines Transportbandes 7 zum zeichnerisch nicht dargestellten Entnahmebereich geführt werden. Das Reinigungssystem 19 weist eine Wassersprühein richtung 21 zur Wasserbesprühung der zu reinigenden Bauteile und ein Auffangbecken 22 mit einem nachgeordneten Glykolab scheider 23 auf. Der Volumenstrom und die Sprühzeiten des Sprühwassers sowie die Glykolkonzentration im Wasser des Auffangbeckens 22 auf einen vorgegebenen Mindestwert werden durch das Prozeßsteuersystem geregelt. Es kann vorgesehen sein, daß die Versorgung der Wassersprüheinrichtung 21 mit Wasser aus dem Auffangbecken 22 erfolgt. Die Trocknung der Bauteile in dem Trocknungssystem 20 wird mit einer Luftge bläseeinrichtung 24 durchgeführt, wobei der Luftvolumenstrom und die Trocknungszeiten von dem Prozeßsteuersystem gesteu ert werden.

Das in Fig. 3 in Blockschaltbildform dargestellte Prozeß steuersystem ermöglicht einen vollautomatischen Betrieb der Wärmebehandlungsanlage, nämlich eine Steuerung, Prozeßvisu alisierung, Regelung, Überwachung und Prozeßfehlerdiagnose sowie eine Prozeßdokumentation. Das System weist hierzu ei nen Prozeßleitrechner 25 auf, der mit einem Programmspeicher 26 mit beispielsweise 20 Speicherplätzen für die Wärmebehand lungsprozesse verbunden ist. Weiterhin sind ein einer Ein gabe- und Ausgabeeinheit 27 nachgeordneter Prozeßrechner 28 und Bedienungselemente für das Bedienungspersonal, wie z. B. eine Tastatur 29, ein Barcodeleser 30, ein Bildschirm 31 und ein Protokolldrucker 32, vorhanden.

Bezugszeichenliste

1

Fördersystem

2

bis

7

Transportbänder (Transportrollen)

8

E-Motor

9

Regler für E-Motor

8

10

Durchlaufofen

11

E-Heizung des Durchlaufofens

10

12

Gebläseeinrichtung des Durchlaufofens

10

13

Abschreckmedium

14

Abschreckeinrichtung

15

Umwälzeinrichtung

16

Befüllungs- und Entleerungssystem

17

Temperaturüberwachungsgerät

18

Rückkühlanlage

19

Reinigungssystem

20

Trocknungssystem

21

Wassersprüheinrichtung

22

Auffangbecken

23

Glykolabscheider

24

Luftgebläseeinrichtung

25

Prozeßleitrechner

26

Programmspeicher

27

Ein- und Ausgabeeinheit

28

Prozeßrechner

29

Tastatur

30

Barcodeleser

31

Bildschirm

32

Protokolldrucker

Claims

1. Wärmebehandlungsanlage zum Lösungsglühen von Aluminium- Legierungsbauteilen in der Luftfahrtindustrie gemäß be stehender Fertigungsvorschriften, insbesondere von ebe nen Platinen oder umgeformten Bauteilen von vorgegebenen Mindest- und Maximalabmessungen, wobei die Bauteile ei nem Wärmebehandlungs-, Abschreck-, Reinigungs- und einem Trocknungsvorgang unterzogen werden, wobei ein einem Transportband und/oder Transportrollen im Aufgabebereich der Bauteile nachgeordneter Durchlaufofen mit einem die Bauteile durch den Durchlaufofen fördernden Transportband und/oder Transportrollen und mit einer Heizung zur Auf heizung der Bauteile auf Lösungsglühtemperatur ausgerüs tet ist, wobei dem Durchlaufofen eine ein flüssiges Ab schreckmedium enthaltende Einrichtung zur Abschreckung der Bauteile nachgeordnet ist, und wobei sich an die Ab schreckeinrichtung ein Reinigungs- und Trocknungssystem anschließt, dadurch gekennzeichnet,

1. daß im Durchlaufofen (10) eine Aufheizung der Bauteile auf eine von der verwendeten Legierung abhängige Lö sungsglühtemperatur von 470°C bis 570°C bei einer vor gegebenen Heiz-Haltezeit von 10-25 min erfolgt,
2. daß die Transportbänder (2-7) und/oder Transportrollen Bestandteile eines Fördersystems (1) zur unbefestigten Aufnahme und zum Transport der Bauteile durch die gesam te Anlage sind,
3. daß zum blasenfreien Eintauchen der Bauteile unter ei nem vorgegebenen Winkel in das Abschreckmedium (13) der Abschreckeinrichtung (14) das Transportband (3) des Durchlaufofens (10) in seinem Endbereich unter einem vorgegebenen Winkel von etwa 15° gegenüber seiner hori zontalen Lage verläuft sowie das nachgeordnete Trans portband (4) im Übergabebereich vom Durchlaufofen (10) und Abschreckeinrichtung (14) eine Schräge mit einem einstellbaren Winkel von 45° bis 75° gegenüber der Horizontalen bildet,
4. daß die Bauteile mittels eines Förderbandes (7) durch das Reinigungs- und Trocknungssystem (19 und 20) führ bar sind,
5. und daß ein Prozeßsteuersystem zur Steuerung und Über wachung aller für eine einwandfreie Wärmebehandlung der Bauteile erforderlichen Parameter und Verfahrensabläufe vorgesehen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördersystem (1) ein Transportband (2) für den Aufgabe bereich, zwei weitere Transportbänder (5, 6) in der Ab schreckeinrichtung (14) und ein Transportband (7) für das Reinigungs- und das Trocknungssystem (19 und 20) sowie für den Entnahmebereich aufweist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeiten der Transportbänder (2-7) ent sprechend den vorgegebenen Verfahrensabläufen von dem Prozeßsteuersystem synchronisiert sind.

4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung des Durchlaufofens (10) durch eine indirekte von dem Prozeßsteuersystem gesteuerte elektri sche Widerstandsheizung (11) erfolgt.

5. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaufofen (10) einen geregelten Betriebstem peraturbereich von T_min = 300°C bis T_max = 600°C auf weist.

6. Anlage nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß der Durchlaufofen (10) eine vorgegebene Anzahl von Wärmeregelzonen zur Erzielung einer vorgeschriebenen Wärmebehandlungs-Güteklasse für die Bauteile aufweist.

7. Anlage nach Anspruch 1, 2, 4, 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Durchlaufofen (10) im Ein- und Ausgangs bereich für die Bauteile Ofentüren oder andere Mechanis men zur Vermeidung von Wärmeverlusten aufweist, die von dem Prozeßsteuersystem ereignisgesteuert sind.

8. Anlage nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 6 oder 7, gekennzeich net durch eine vorgegebene Anzahl von im Durchlaufofen (10) angeordneten Thermoelementen, deren gemessene Tem peraturwerte dem Prozeßsteuersystem zur Auswertung zu führbar sind.

9. Anlage nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 6, 7 oder 8, gekenn zeichnet durch eine im Durchlaufofen (10) angeordnete und von dem Prozeßsteuersystem gesteuerte Gebläseein richtung (12).

10. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Abschreckeinrichtung (14) als Abschreck medium (13) eine Wasser-Glykol-Lösung enthält.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Glykolanteil in der Wasser-Glykol-Lösung etwa 25 bis 30 Volumenprozente beträgt.

12. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß Wasser in der Abschreckeinrichtung (14) als Abschreckmedium (13) dient.

13. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 10 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abschreckeinrichtung (14) mit ei ner Umwälzanlage (15) zur Badbewegung, einem Befüllungs- und Entleerungssystem (16), einem Temperaturüberwachungs gerät (17) und mit einer Rückkühlanlage (18) ausgerüstet ist, deren Betriebsabläufe von dem Prozeßsteuersystem steuerbar sind.

14. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungssystem (19) eine Wassersprüheinrich tung (21) zur Wasserbesprühung der zu reinigenden Bau teile und ein Auffangbecken (22) mit einem nachgeord neten Glykolabscheider aufweist, und daß der Volumen strom und die Sprühzeiten des Sprühwassers sowie die Glykolkonzentration im Wasser des Auffangbeckens (22) auf einen vorgegebenen Mindestwert durch das Prozeß steuersystem regelbar sind.

15. Anlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Ver sorgung der Wassersprüheinrichtung (21) mit Wasser aus dem Auffangbecken (22).

16. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknersystem (20) eine Luftgebläseeinrichtung (24) aufweist, dessen Luftvolumenstrom und dessen Trock nungszeiten von dem Prozeßsteuersystem steuerbar sind.

17. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß das Prozeßsteuersystem einen mit einem Programmspeicher (26) verbundenen Prozeßleit rechner (25), einen einer Eingabe- und Ausgabeeinheit (27) nachgeordneten Prozeßrechner (28) und Bedienungs elemente für das Bedienungspersonal aufweist.