DE19643934A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallbleche - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallbleche

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DE19643934A1 DE19643934A DE19643934A DE19643934A1 DE 19643934 A1 DE19643934 A1 DE 19643934A1 DE 19643934 A DE19643934 A DE 19643934A DE 19643934 A DE19643934 A DE 19643934A DE 19643934 A1 DE19643934 A1 DE 19643934A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines strukturierten Metallblechs, ein Verfahren zum Herstellen eines be­ schichteten Metallblechpaketes sowie auf eine Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallbleche. Solche Metallbleche werden überwiegend zu Wabenkörpern für katalytische Konverter verarbeitet, wie sie insbesondere in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ein solcher Wabenkör­ per ist beispielsweise durch die EP 0 245 737 B1 beschrieben.
Strukturierte Metallbleche werden im Stand der Technik im allgemeinen durch miteinander kämmende Profilwalzen hergestellt, die vorzugsweise eine Evolventenverzahnung oder eine ähnlich gestaltete Verzahnung aufweisen. Es sind jedoch auch andere Geometrien der Strukturen, z. B. Trapezform, Zick-Zack-Form etc., bekannt.
Von dem strukturierten, bandförmigen Metallblech werden Abschnitte abge­ trennt, die zu einem Metallblechpaket gestapelt werden, wobei zwischen die strukturierten Metallbleche ein Glattblech eingelegt wird. Die Enden des Stapels werden beispielsweise gegensinnig um mindestens zwei Fixpunkte verschlungen. Der so verformte Stapel wird in ein Mantelrohr eingesetzt.
Anschließend wird das Mantelrohr mit dem eingesetzten Metallblechstapel einem Lötvorgang unterzogen, bei dem das Mantelrohr mit dem Metallblech­ stapel sowie die einzelnen Bleche untereinander verlötet werden. Das Mantel­ rohr und das Metallblechpaket haben unterschiedliche Wärmeausdehnungs­ koeffizienten. Um sicherzustellen, daß eine einwandfreie Lötverbindung zwischen den Metallblechen untereinander und den Metallblechen und dem Mantelrohr erreicht wird, ist bereits vorgeschlagen worden, das Metallblech­ paket mit einer Vorspannung in das Mantelrohr einzusetzen, so daß zwischen den Metallblechen und/oder den Metallblechen und dem Mantelrohr keine Spaltbildung eintritt. Bei spiralförmig gewickelten Wabenkörpern ist bereits vorgeschlagen worden, in das strukturierte Metallblech an den Scheitelberei­ chen der Struktur radiale Vertiefungen vorzusehen, in denen das zur Ver­ lötung dienende Material einlegbar ist.
Während des strukturbildenden Schrittes erfährt das bandförmige Metallblech eine Verformung. Durch Schwankungen der Materialeigenschaften des Metall­ blechs, kommt es zu Schwankungen der Strukturhöhe des strukturierten Metallblechs. Diese Schwankungen der Strukturhöhe werden darauf zurückge­ führt, daß die Elastizität des Metallblechs innerhalb eines Toleranzbandes liegt. Dieser Effekt wird noch gegebenenfalls durch Toleranzen der Profil­ walzen überlagert, so daß nicht sichergestellt ist, daß Metallblechpakete stets mit gleicher Vorspannung in ein Rohr einsetzbar sind. Es ist ferner festge­ stellt worden, daß auch die Zelldichte eines Wabenkörpers beim gleichen Herstellungsverfahren unterschiedlich sein kann.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines strukturierten Metallblechs sowie eines geschichteten Metallblechpaketes und eine Vorrichtung zum Herstellen struk­ turierter Bleche anzugeben, durch die sichergestellt wird, daß bei einer Weiterverarbeitung der strukturierten Metallbleche bzw. des Metallblechpake­ tes zu einem Wabenkörper, Schwankungen einer Vorspannung mit der ein Metallblechpaket in ein Mantelrohr einsetzbar ist, gering sind. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist sicherzustellen, daß ein Wabenkörper, der durch strukturierte Metallbleche gebildet ist, eine konstante Zelldichte hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen wenigstens eines strukturier­ ten Metallblechs, zeichnet sich dadurch aus, daß zunächst in einem struktur­ bildenden Schritt ein bandförmiges Metallblech mit einer Struktur ausgebildet wird. Während des strukturbildenden Schrittes wird eine Struktur hergestellt, deren Strukturhöhe größer ist als eine Soll-Strukturhöhe, die das strukturierte Metallblech als Fertigprodukt haben soll. An den strukturbildenden Schritt schließt sich ein Kalibrierschritt an, bei dem auf die Struktur des Metall­ blechs eine Kraft so ausgeübt wird, daß nach dem Kalibrierschritt die Höhe der Struktur der Soll-Strukturhöhe entspricht. Dadurch, daß während des strukturbildenden Schrittes die Strukturhöhe größer ist als eine Soll-Struk­ turhöhe wird sichergestellt, daß trotz einer Rückfederung die Strukturhöhe des Metallblechs ausreichend hoch ist. Desweiteren werden etwaige Toleran­ zen von Profilwerkzeugen kompensiert. In dem Kalibrierschritt wird auf die Scheitelbereiche der Struktur eine Kraft ausgeübt, durch die die Struktur verformt wird, so daß nach dem Kalibrierschritt die Höhe der Struktur der Soll-Strukturhöhe entspricht.
Zur Ausbildung einer Struktur während des strukturbildenden Schrittes wird das Metallblech zwischen zwei kämmenden Profilwalzen hindurchgeführt. Die Gesamtprofilhöhe der Profilwalzen ist dabei größer als die Soll-Strukturhöhe. Bei den Profilwalzen kann es sich beispielsweise um Walzen mit einem Evolventenprofil handeln.
Der Kalibrierschritt erfolgt vorzugsweise in der Form, daß das Metallblech mit der Struktur durch einen Spalt hindurchgeführt wird, dessen Spalthöhe kleiner als die Soll-Strukturhöhe des Metallblechs ist oder der Soll-Struk­ turhöhe des Metallblechs entspricht. Die Ausbildung eines solchen Spaltes kann dadurch erfolgen, daß zwei Walzen achsparallel angeordnet sind.
Um sicherzustellen, daß ein Wabenkörper, der aus einem strukturierten Metallblech oder einem Metallblechpaket hergestellt wird, eine konstante Zelldichte aufweist wird vorgeschlagen, daß nach dem Kalibrierschritt die Federeigenschaft der Struktur des Metallblechs bestimmt wird. Unter Berück­ sichtigung der Federeigenschaft wird eine Zuschnittslänge ermittelt und ein Abschnitt eines Metallblechs entsprechend der Zuschnittslänge von dem bandförmigen Metallblech abgetrennt. Durch ein so hergestelltes strukturiertes Metallblech ist ein Wabenkörper herstellbar, der eine reproduzierbare Zell­ dichte hat und die Metallbleche mit einer reproduzierbaren Vorspannung in ein Mantelrohr einsetzbar sind.
Nach einem anderen erfindungsgemäßen Gedanken wird ein Verfahren zum Herstellen eines geschichteten Metallblechpakets, wie es beispielsweise durch die EP 0 245 737 bekannt ist, vorgeschlagen, bei dem ein erstes bandförmi­ ges Metallblech zunächst einem strukturbildenden Schritt, durch den das erste Metallblech mit einer Struktur gebildet wird, deren Strukturhöhe größer als die Soll-Strukturhöhe ist, danach einem Kalibrierschritt, bei dem auf die Struktur des ersten Metallblechs eine Kraft ausgeübt wird, daß nach dem Kalibrierschritt die Höhe der Struktur einer Soll-Strukturhöhe entspricht, und danach ein zweites bandförmiges Metallblech auf das erste Metallblech gelegt wird.
Während des strukturbildenden Schrittes wird das erste bandförmige Metall­ blech zwischen zwei kämmenden Profilwalzen hindurchgeführt.
Alternativ wird vorgeschlagen, daß das zweite Metallblech vor dem Kali­ brierschritt auf das Metallblech gelegt wird. Durch diese Maßnahme wird das strukturierte Metallblech gemeinsam mit dem zweiten, vorzugsweise glatten Metallblech kalibriert.
Nach dem Kalibrierschritt wird die Federeigenschaft der Struktur des ersten Metallblechs oder die Federeigenschaft der geschichteten Metallbleche er­ mittelt und unter Berücksichtigung der Federeigenschaft eine Zuschnittslänge ermittelt, und das erste Metallblech oder die geschichteten Metallbleche werden entsprechend der Zuschnittslänge abgetrennt.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken wird eine Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallbleche mit einer Strukturgebungseinheit zur Bildung einer Struktur mit einer Strukturhöhe vorgeschlagen, bei der die Strukturgebungseinheit, die wenigstens zwei ineinandergreifende Profilwerk­ zeuge mit einer Gesamtprofilhöhe, die größer ist als die Sollstruktur, auf­ weist und eine in Transportrichtung des Metallblechs betrachtet nachgeordnete Kalibriereinheit, durch die auf die Struktur des Metallblechs eine Kraft so ausgeübt wird, daß die Höhe der Struktur einer vorgegebenen Sollstrukturhö­ he entspricht.
Die Strukturgebungseinheit weist wenigstens zwei kämmende Profilwalzen auf, die vorzugsweise ein Evolventenprofil aufweisen. Die Verwendung von drehbaren Profilwalzen ermöglicht einen kontinuierlichen Herstellungsvorgang eines strukturierten Metallblechs. Alternativ kann zur sequentiellen Herstel­ lung einer Struktur in einem Metallblech eine Strukturgebungseinheit ver­ wendet werden, die zwei aufeinander zu bewegbare Profilwerkzeuge umfaßt, zwischen denen das Metallblech verformbar ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung wird vor­ geschlagen, daß die Kalibriereinheit wenigstens zwei Kalibrierwerkzeuge aufweist, zwischen die das Metallblech bringbar ist, und die Kalibrierwerk­ zeuge einen Spalt begrenzen, dessen Spalthöhe kleiner ist als die Profilhöhe der Profilwerkzeuge. Die Spalthöhe entspricht vorzugsweise der Soll-Struk­ turhöhe, die ein strukturiertes Metallblech aufweisen soll. Die Spalthöhe ist vorzugsweise durch Verstellung der Kalibrierwerkzeuge einstellbar.
Die Kalibrierwerkzeuge sind vorzugsweise durch zwei im wesentlichen achsparallel angeordnete Walzen gebildet. Die Walzen sind vorzugsweise so angeordnet, daß die Walzenachsen im wesentlichen quer zur Transportrich­ tung eines Metallblechs verlaufen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung wird vor­ geschlagen, daß der Kalibriereinheit eine Meßeinheit, durch die Federeigen­ schaft des Metallblechs ermittelt wird, und eine Trenneinheit, durch die das Metallblech entsprechend der Federeigenschaft abgelängt wird, nachgeordnet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallbleche,
Fig. 2 eine Kalibriereinheit und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Bleche.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Bleche. Die Vorrichtung weist eine Strukturgebungseinheit 1 auf. Die Struk­ turgebungseinheit 1 umfaßt zwei kämmende Profilwalzen 2, 3 auf. Die Profilwalzen 2, 3 weisen beispielsweise ein evolventenförmiges Profil auf. Die Achsen 4, 5 der Profilwalzen 2, 3 verlaufen parallel zueinander. Zwischen den Profilwalzen 2, 3 läuft ein bandförmiges Metallblech 6, welches von einem Coil 7 abgewickelt wird. Während des Durchlaufens der Strukturgebungseinheit 1 wird dem Metallblech 6 eine Struktur 8 verliehen. Die Struktur 8 entspricht im wesentlichen dem Profil der Profilwalzen 2, 3. In Transportrichtung des Metallblechs 6 betrachtet ist der Strukturgebungsein­ heit 1 eine Kalibriereinheit 9 nachgeordnet. Die Kalibriereinheit 9 weist zwei Kalibrierwerkzeuge auf, die in Form von zwei Walzen 10, 11 ausgebildet sind. Die Walzen 10, 11 sind achsparallel zueinander angeordnet. Die Mantelflächen der Walzen 10, 11 begrenzen einen Spalt 12, durch den das strukturierte Metallblech 6 hindurchgeführt wird. Der Kalibriereinheit 9 ist eine Meßeinheit 13 und eine Trenneinheit 14 nachgeordnet.
Durch die Meßeinheit 13 wird die Federeigenschaft der Struktur 8 des Metallblechs 6 bestimmt. Unter Berücksichtigung der Federeigenschaft der Struktur 6 wird eine Zuschnittslänge L ermittelt und ein Abschnitt 15 entsprechend der Zuschnittslänge L von dem bandförmigen Metallblech 6 in der Trenneinheit 14 abgetrennt. Die Bestimmung der Federeigenschaft der Struktur 6 des Metallblechs kann durch eine Kraft/Weg-Messung erfolgen.
Das Profil der Profilwalzen 2, 3 ist so ausgebildet, daß die Höhe H der Struktur 8 größer ist als eine vorgegebene Soll-Strukturhöhe SH. Dem Metallblech 6 wird eine Struktur 8 verliehen, wie sie beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt ist. Das so strukturierte Metallblech wird durch den Spalt 12 zwischen den Walzen 10, 11 hindurchgeführt. Die Höhe h des Spaltes 12 ist so bemessen, daß beim Durchlauf des Metallblechs 6 zwischen den Walzen 10, 11 die Struktur 8 zusammengedrückt wird, wodurch die Struktur 8' nach der Kalibriereinheit 9 eine Höhe aufweist, die der Soll-Strukturhöhe SH entspricht, hat. Die Walzen 10, 11 sind drehbar gelagert. Vorzugsweise ist die Spalthöhe h durch verstellbare Walzen 10, 11 einstellbar.
Wir nehmen nunmehr Bezug auf die Darstellung einer Vorrichtung nach Fig. 3.
Die in der Fig. 3 dargestellte Vorrichtung weist eine strukturgebende Einheit 1 auf, die durch zwei im Abstand zueinander und achsparallel angeordnete Profilwalzen 2, 3 gebildet ist. Der Profileinheit 1 folgt in Transportrichtung betrachtet eine Kalibriereinheit 9, an die sich eine Meßeinheit 13 sowie eine Trenneinheit 14 anschließt. Die Kalibriereinheit 9 ist durch zwei im Abstand zueinander und achsparallel angeordnete Walzen 10, 11 gebildet. Die Walzen 10, 11 sind drehbar gelagert. Die Mantelflächen der Walzen 10, 11 begren­ zen einen Spalt 12.
Ein bandförmiges Metallblech 6 wird von einem Coil 7 abgewickelt und der strukturgebenden Einheit 1 zugeführt. In der strukturgebenden Einheit 1 wird dem Metallblech 6 durch die Profilwalzen 2, 3 eine Struktur 8 verliehen. Die Struktur 8 weist eine Höhe H auf, die größer ist als die Soll-Struk­ turhöhe SH. Das so strukturierte Metallblech 6 wird nachfolgend der Kali­ briereinheit 10 zugeführt. Das Metallblech 6 durchläuft den Spalt 12 zwi­ schen den Walzen 10, 11. Der Spalt 12 weist eine Höhe h auf, die kleiner ist als die Höhe H der Struktur 8. Während des Durchlaufens des Metall­ blechs 6 durch die Kalibriereinheit 9 wird auf die Struktur 8 eine Kraft ausgeübt, durch die die Höhe der Struktur auf die Soll-Strukturhöhe SH gebracht wird. Vor der Kalibriereinheit 9 wird auf das strukturierte Blech 6 ein glattes Metallblech 16 zugeführt, welches von einem Coil 17 abgewic­ kelt wird. Das glatte Metallblech 16 und das strukturierte Metallblech 8 durchlaufen gemeinsam die Kalibriereinheit 9.
Der Kalibriereinheit 9 folgt eine Meßeinheit 13, durch die die Federeigen­ schaft des glatten und des strukturierten Metallblechs 6, 16 bestimmt wird. Auf der Basis der ermittelten Federeigenschaft wird eine Zuschnittslänge L bestimmt. Eine der Meßeinheit 13 folgende Trenneinheit 14 trennt einen Abschnitt 8 des glatten Metallblechs 16 und des strukturierten Metallblechs 6 ab. Die strukturierten Bleche 6 werden aufeinander gestapelt, wodurch ein Metallblechpaket 19 entsteht, welches nach einem Verschlingen in ein Mantelrohr einsetzbar ist.
Bezugszeichenliste
1
Strukturgebungseinheit
2
,
3
Profilwalze
4
,
5
Achse
6
Metallblech
7
Coil
8
,
8
' Struktur
9
Kalibriereinheit
10
,
11
Walze
12
Spalt
13
Meßeinheit
14
Trenneinheit
15
Abschnitt
16
Glattblech
17
Coil
18
Abschnitt
19
Metallblechpaket

Claims (20)

1. Verfahren zum Herstellen wenigstens eines strukturierten Metallblechs, bei dem ein bandförmiges Metallblech (6) zunächst einem strukturbilden­ den Schritt, durch den eine Struktur (8) gebildet wird, deren Struk­ turhöhe (H) größer ist als eine Soll-Strukturhöhe (SH), und danach einem Kalibrierschritt, bei dem auf die Struktur (8) des Metallblechs (6) eine Kraft so ausgeübt wird, daß nach dem Kalibrierschritt die Höhe (H) der Struktur (8) der Soll-Strukturhöhe (SH) entspricht, unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Metallblech (6) während des strukturbildenden Schrittes zwischen zwei kämmenden Profilwalzen (2, 3) hindurchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Metallblech (6) zwischen Profilwalzen (2, 3) hindurchgeführt wird, deren Gesamtprofilhöhe größer ist als die Soll-Strukturhöhe (SH).
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Metallblech (6) durch einen Spalt (12), dessen Spalthöhe (h) kleiner als die Soll-Struk­ turhöhe (SH) des Metallblechs (6) ist oder der Soll-Strukturhöhe (SH) des Metallblechs (6) entspricht, hindurchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Spalt (12) durch zwei achs­ parallele Walzen (10, 11) gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach dem Kalibrierschritt die Federeigenschaft der Struktur des Metallblechs (6) bestimmt, unter Berücksichtigung der Federeigenschaft eine Zuschnitts­ länge (L) ermittelt und ein Abschnitt (15, 16) entsprechend der Zu­ schnittslänge (L) von dem bandförmigen Metallblech (6) abgetrennt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Zuschnittslänge (L) als ein Maß für weitere Abschnitte verwendet wird.
8. Verfahren zum Herstellen eines geschichteten Metallblechpaketes (19), bei dem ein erstes, bandförmiges Metallblech (6) zunächst einem struk­ turbildenden Schritt, durch den das erste Metallblech (6) mit einer Struktur (8) gebildet wird, deren Strukturhöhe (H) größer ist als die Soll-Strukturhöhe (SH), danach einem Kalibrierschritt unterzogen wird, bei dem auf die Struktur (8) des ersten Metallblechs (6) eine Kraft so ausgeübt wird, daß nach dem Kalibrierschritt die Höhe (H) der Struktur (8') einer Soll-Strukturhöhe (SH) entspricht, und danach ein zweites, bandförmiges Metallblech, vorzugsweise ein glattes Metallblech (6), auf das erste Metallblech (6) gelegt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das erste Metallblech (6) während des strukturbildenden Schrittes zwischen zwei kämmenden Profilwalzen (2, 3) hindurchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das erste Metallblech (6) zwi­ schen Profilwalzen (2, 3) hindurchgeführt wird, deren Gesamtprofilhöhe größer ist als die Soll-Strukturhöhe (SH).
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem das erste Metallblech (6) durch einen Spalt (12), dessen Spalthöhe (h) im wesentlichen der Soll-Strukturhöhe (SH) des ersten Metallblechs (6) entspricht, hindurch­ geführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Spalt (12) durch zwei achs­ parallelen Walzen (10, 11) gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem jedoch das zweite Metall­ blech (6) vor dem Kalibrierschritt auf das erste Metallblech (6) gelegt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem nach dem Kalibrierschritt die Federeigenschaft der Struktur des ersten Metallblechs (6) oder die Federeigenschaft der geschichteten Metallbleche (6, 16) er­ mittelt und entsprechend der Federeigenschaft abgelängt wird bzw. werden.
15. Vorrichtung zum Herstellen strukturierter Metallblech mit einer Struk­ turgebungseinheit (1) zur Bildung einer Struktur mit einer Strukturhöhe (H), gekennzeichnet durch eine Strukturgebungseinheit (1), die wenig­ stens zwei ineinandergreifende Profilwerkzeuge (2, 3) mit einer Gesamt­ profilhöhe, die größer ist als die Soll-Strukturhöhe (SH), aufweist und einer in Transportrichtung des Metallblechs (6) betrachtet nachgeordnete Kalibriereinheit (9), durch die auf die Struktur (8) des Metallblechs (6) eine Kraft so ausgeübt wird, daß die Höhe (H) der Struktur (8') nach der Kalibriereinheit (9) einer vorgegebenen Soll-Strukturhöhe (SH) ent­ spricht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Struk­ turgebungseinheit (1) wenigstens zwei kämmenden Profilwalzen (2, 3) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinheit (9) wenigstens zwei Kalibrierwerkzeuge (10, 11) aufweist, zwischen die das Metallblech (6, 16) bringbar ist, und die Kalibrierwerkzeuge (10, 11) einen Spalt (12) begrenzen, dessen Spalthö­ he (h) kleiner ist die Profilhöhe (PH) der Profilwerkzeuge (2, 3).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kali­ brierwerkzeuge zwei achsparallel angeordnete Walzen (10, 11) sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kalibriereinheit (9) eine Meßeinheit (1, 3), durch die Federeigenschaft des Metallblech (6, 16) ermittelt wird, und eine Trenn­ einheit (14), durch die das Metallblech (6, 16) entsprechend der Feder­ eigenschaft abgelängt wird, nachgeordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spalthöhe (h) der Kalibriereinheit (9) einstellbar ist.
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