DE19961452C1

DE19961452C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE19961452C1
Application number: DE19961452A
Authority: DE
Inventors: Josef Wagner; Karl Hirsch
Original assignee: INDUKTIONSERWAERMUNG FRITZ DUE
Current assignee: EFD Induction GmbH
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-12-21

Abstract

Ein Verfahren zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke 2 durch induktive Wärmebehandlung sieht vor, daß die Einspannkraft während der durch die Wärmebehandlung bedingten Längenänderung des Werkstücks 2 in etwa konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck wird die Längenänderung des Werkstücks 2 gemessen und entsprechend dem Meßergebnis die Gestelle 3', 3'' der Einspanneinrichtung 1 auseinandergefahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung nach dem Oberbegriff des (Verfahrens-)Anspruchs 1. - Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Oberflä chenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung nach dem Ober begriff des (Vorrichtungs-)Anspruchs 10.

Die induktive Wärmebehandlung stellt eine Methode dar, um die Oberfläche von metalli schen Werkstücken zu vergüten. Das Grundprinzip besteht darin, daß durch ein von außen angelegtes Magnetfeld in dem zu behandelnden Werkstück induktiv Wärme erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auf die induktive Wärmebehandlung von länglichen Werkstücken gerichtet, insbesondere von dünnwandigen, rohrähnlichen Werk stücken, aber auch von massiven Werkstücken, welche sich durch Wärmeeinbringung in ihrer Länge signifikant ausdehnen.

Ein bekanntes Verfahren sowie eine bekannte Vorrichtung für die induktive Wärmebehand lung metallischer Werkstücke der eingangs angegebenen Art sieht vor, daß das Werkstück an seinen beiden Stirnseiten eingespannt wird, wobei die Einspanneinrichtung unter Feder kraft steht. Der durch die Wärmeeinwirkung bedingte Längenausgleich wird über eine me chanische Kulisse reguliert, welche die Position des Werkstückes bei Ausdehnung etwa mit tig zur Position des Heizinduktors hält. Dadurch steigt aber mit der Längenausdehnung des Werkstücks die Kraft, mit der das Werkstück zwischen den Spitzen der Einspanneinrichtung fixiert wird. Gerade bei dünnwandigen Rohren kann durch diese Kraftzunahme eine Verwin dung oder Verformung stattfinden, wenn das Rohr erwärmt wird.

Durch die DE 39 25 047 A1 ist es bekannt, daß zur Steuerung von Wärmebehandlungspro zessen bei induktiver Erwärmung die zeitliche Veränderung einer maßgeblichen Prozeß kenngröße analysiert wird und die eventuell notwendige Korrektur dieser Kenngröße im noch laufenden Arbeitszyklus vorgenommen wird.

Um die Einspannkraft nachzuregulieren, schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 vor, daß wenigstens eine Spannposition des Werkstückes - in Axialrichtung dieses Werkstücks gesehen - verändert wird. Dadurch ist eine technisch einfache Möglichkeit geschaffen, um die Einspannkraft konstant zu halten.

Die Weiterbildung hiervon gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, daß dadurch individuell die Ausdehnungseigenschaften des Werkstückes sowie die Kopplungsbedingungen des In duktors berücksichtigt werden können.

Die Weiterbildung hiervon gemäß Anspruch 6 ist so zu verstehen, daß beide Spannpositio nen synchron und mit gleichen Positionsverschiebungen im Sinne einer Bewegungssym metrie verstellt werden. Die Korrektur erfolgt somit mittig zu Werkstück und Heizinduktor. Technisch realisiert werden kann dies beispielsweise durch eine durchgehende, rechts/links drehende Welle.

Die Alternative hierzu gemäß Anspruch 7 trägt der Tatsache Rechnung, daß sich das Werkstück in die eine Richtung stärker ausdehnen kann als in die andere Richtung, wenn sich somit das Werkstück auf beiden Seiten ungleich stark ausdehnt. In diesem Fall kann die Position des Werkstücks zum Induktor durch eine automatische Positionskorrektur opti miert werden. Zur technischen Realisierung besitzen die beiden Spannpositionen jeweils einen eigenen Antrieb.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 geht von einem Induktor aus, welcher das Werkstück über dessen gesamte Länge erwärmt.

Im Gegensatz dazu geht die alternative Weiterbildung gemäß Anspruch 9 davon aus, daß der Induktor nur Teillängenbereiche des Werkstücks erwärmt, so daß die einzelnen Indukto ren verstellt werden können und somit die Kopplung zwischen dem jeweiligen Induktor und dem Werkstück automatisch korrigiert wird. Dadurch wird eine Optimierung der Position des Induktors zum Werkstück durch eine automatische Korrektur der Kopplung erzielt. Es er folgt dabei eine beidseitige oder einseitige Konstanthaltung des Kopplungsabstandes durch gezieltes Verfahren der Induktoren in den jeweiligen Erwärmungszonen. Dies wird insbe sondere für unsymmetrische Erwärmungszonen verwendet. Technisch realisiert kann dies dadurch werden, daß der Induktorwagen den Kopplungsabstand korrigiert, sofern der In duktorwagen als Achse ausgelegt ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung der ein gangs angegebenen Art derart weiterzubilden, daß auch leicht verwindbare oder verfomba re Werkstücke bearbeitet werden können, ohne daß Verwindungen oder Verformungen auftreten; ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Die technische Lösung ist verfahrensmäßig gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des (Verfahrens-)Anspruchs 1.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung besteht darin, die Einspannkraft während der Erwärmung des Werkstückes aufgrund seiner Längenänderung sich nicht selbst zu überlassen, sondern die Haltekraft durch eine entsprechende Ausgleichsbewegung der Einspannelemente konstant zu halten. Der Vorteil liegt darin, daß auch kritische Werkstüc ke, wie beispielsweise dünnwandige, rohrähnliche Werkstücke problemlos einer Wärmebe handlung unterzogen werden können, ohne daß Verwindungen oder Verformungen statt finden.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 stellt eine erste Variante der Nachregulierung der Einspannkraft dar. Die Grundidee dieser Kompensation der Längenausdehnung besteht darin, die zu erwartende Ausdehnung über die Zeit zuvor empirisch zu ermitteln und diese als Funktion in der Maschinensteuerung abzuspeichern und dann bei der eigentlichen Wärmebehandlung eines Werkstückes zu übernehmen und gewissermaßen simulieren. Der Vorteil dieser Nachregulierung der Einspannkraft besteht darin, daß sie ohne die Verwen dung eines Meßtasters funktioniert.

Eine Alternative hierzu schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 vor. Hier besteht die Grundidee für die Kompensation der Längenausdehnung darin, entweder die aktuelle Ein spannkraft oder aber vorzugsweise die Längenänderung des Werkstücks zu messen, um aufgrund dieser Daten dann die Einspannkraft nachzuregulieren.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorrichtungsmäßig eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art mit den Merkmalen im Kennzeichen des (Vorrichtungs-) Anspruchs 10 vorgeschlagen.

Die Grundidee der Vorrichtung besteht darin, daß der Einspanneinrichtung eine Kraftmes seinrichtung oder vorzugsweise eine Längenmeßeinrichtung zugeordnet ist. Diese Län genmeßeinrichtung bestimmt kontinuierlich die Längenvergrößerung des Werkstückes, so daß dann ein entsprechender Verstellantrieb die Einspanneinrichtung auseinanderfahren kann und somit die Einspannkraft auf einem konstanten Wert gehalten wird. Somit werden die Spannkräfte durch die Meßtechnik und ein besonderes Spannkonzept mit Korrekturbe wegungen der Einspanneinrichtung konstant gehalten, wobei über das Meßsystem das Werkstück zum Heizinduktor in Echtzeit vermessen und die Ausdehnung korrigiert wird.

Zur Meßaufnahme dient ein Meßfühler, welcher die Ausdehnung des Werkstückes mißt. Als Längenmeßeinrichtung können verschiedene Meßköpfe gemäß der Weiterbildung in An spruch 11 dienen.

Die Grundidee der Weiterbildung gemäß Anspruch 12 besteht darin, daß der Verstellantrieb für die Ausgleichsbewegung nicht auf die eigentliche Einspanneinrichtung wirkt, sondern auf den Support, an welchem die eigentliche Einspanneinrichtung angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die eigentliche Einspanneinrichtung nicht von der Verstelleinrichtung für die Ausgleichsbewegung beeinflußt wird, so daß die Einspanneinrichtung unabhängig von der momentanen Längenausdehnung der Werkstücks immer unter gleichbleibenden Verhält nissen arbeitet.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 ermöglicht, daß die Längenkompensation an beiden Enden des Werkstückes erfolgt. Dabei ist jeder der beiden Einspanneinrichtungshälften jeweils ein Gestell zugeordnet, auf welches der zugeordnete Verstellantrieb wirkt.

Die Weiterbildung hiervon gemäß Anspruch 14 schlägt vor, daß die beiden Einspannein richtungshälften synchron auseinandergefahren werden, so daß die Korrektur mittig zu Werkstück und Heizinduktor erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine durchgehende rechts/links drehende Welle technisch umgesetzt werden.

Alternativ können gemäß Anspruch 15 die beiden Verstellantriebe unabhängig voneinander betätigbar sein, also gewichtet in jede Richtung, wenn das Werkstück sich auf beiden Sei ten ungleich stark ausdehnt. In diesem Fall weist jede Seite einen eigenen und unabhängi gen Antrieb auf.

Eine weitere, bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 16 vor, mit der eine automatische Korrektur der Kopplung zwischen Induktor und Werkstück erfolgt. Durch die automatische Korrektur der Kopplung wird die Position zwischen Induktor und Werkstück optimiert, und zwar durch beidseitiges oder einseitiges Konstanthalten des Kopplungsabstandes durch gezieltes, insbesondere unabhängiges Verfahren der Induktoren an den jeweiligen Erwär mungszonen, insbesondere an unsymmetrischen Erwärmungszonen. Die Bewegung des Induktors ist dabei mit der Bewegung des zugehörigen Gestells der Einspanneinrichtung mechanisch oder elektronisch gekoppelt. Bei der mechanischen Kopplung wird der Induktor mittels Mitnehmer mit der Einspanneinrichtung, insbesondere mit der Körnerspitze mitge nommen.

Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke durch induktive Wärmebehandlung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform, bei der die Korrektur mittig zu Werkstück und Heizinduktor erfolgt;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform, bei der die Korrektur gewichtet in jede Richtung erfolgt;

Fig. 3a bis 3d verschiedene Varianten der Kopplung zwischen Werkstück und Induktor.

Die erste Ausführungsform in Fig. 1 weist eine Einspanneinrichtung 1 bestehend aus zwei Einspanneinrichtungshälften 1', 1" für ein längliches metallisches Werkstück 2 auf.

Die in der Zeichnung linke Einspanneinrichtungshälfte 1' weist ein Gestell 3' auf. In diesem ist eine Lagerhülse 4' mittels einer Verstelleinrichtung in Form einer Zylinder/Kolben-Einheit 5' verfahrbar. In dieser Lagerhülse 4' ist eine mittels einer Spannfeder 6' federnde Körner spitze 7' gelagert. Diese Körnerspitze 7' ist hinten aus der Lagerhülse 4' herausgeführt und steht in Wirkverbindung mit einer Längenmeßeinrichtung 8'.

Die rechte Einspanneinrichtungshälfte 1" weist gleichermaßen ein Gestell 3", eine mittels einer Zylinder/Kolben-Einheit 5" verschiebbare Lagerhülse 4" sowie eine Körnerspitze 7" auf, welche jedoch in der Lagerhülse 4" fest angeordnet ist.

Beide Gestelle 3', 3" weisen jeweils eine Spindelmutter 9', 9" auf. In dieser ist eine gemein same, durchgehende Spindel 10 mit Rechts- und Linksgewinde gelagert. Die Spindelmut tern 9', 9" bilden zusammen mit der gemeinsamen Spindel 10 jeweils einen Verstellantrieb 11', 11" für die beiden Gestelle 3', 3". Der Spindel 10 zugeordnet ist eine Antriebseinheit 12.

Die Funktionsweise ist wie folgt:

Zunächst wird das Werkstück 2 durch Betätigen der beiden Zylinder/Kolben-Einheiten 5', 5" zwischen den Körnerspitzen 7', 7" eingespannt. Beim induktiven Erwärmen des Werkstücks 2 erfährt es eine Längenausdehnung. Diese verschiebt die federnde Körnerspitze 7' in Richtung Längenmeßeinrichtung 8' (in der Zeichnung nach links). Diese nimmt das Ver zugsmaß auf und leitet es an den - nicht dargestellten - Rechner. Der Rechner errechnet entsprechend dem in das Programm eingegebenen Verhältniswert das Verfahrmaß für je des der beiden Gestelle 3', 3". Angenommen, das gemessene Verzugsmaß beträgt 1 mm, dann verfahren die beiden Gestelle 3', 3" durch Betätigen der Antriebseinheit 12 über die Spindel 10 jeweils um 0,5 mm nach außen. Somit wird auf die Stirnfläche des Werkstückes 2 kein erhöhter Druck ausgeübt. Diese Bewegungen erfolgen bei jeder geringen Länge nänderung des Werkstückes 2 und nicht erst bei Erreichen der Härtetemperatur.

Die Ausführungsform in Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 1 da durch, daß statt einer gemeinsamen Spindel 10' jedem Gestell 3', 3" jeweils eine eigene Spindel 13', 13" mit jeweils einer eigenen Antriebseinheit 14', 14" zugeordnet ist. Dadurch können bei über die Länge ungleich erwärmten Werkstücken 2 die Ausweichbewegungen der beiden Gestelle 3', 3" gewichtet erfolgen.

Als Antriebe für die Gestelle 3', 3" können wahlweise auch hydraulisch oder pneumatisch betätigte Servozylinder dienen.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen rein schematisch das Werkstück 2 mit den Induktoren 15', 15".

Bei der Ausführungsvariante in Fig. 3a erwärmen die Induktoren 15', 15" das Werkstück 2 über seine gesamte Länge. Dabei wird der Kopplungabstand (a1 = a2) zwischen Werkstück 2 und den Induktoren 15', 15" durch diese Einrichtung bei Erwärmung über die gesamte Länge des Werkstücks 2 ausgemittelt, d. h. es ist genügend Zwischenraum zwischen dem Werkstück 2 und den Induktoren 15', 15", daß sich das Werkstück 2 ausdehnen kann.

Bei der Variante in Fig. 3b erfolgt keine durchgehende Erwärmung, sondern die Induktoren 15', 15" sind lediglich in den beiden Endbereichen angeordnet. In diesem Fall können die beiden Induktoren 15', 15" durch Antriebe entsprechend dem gemessenen Längenverzug verfahren werden, so daß die Kopplungsabstände immer konstant und gleichbleibend auf beiden Seiten des Werkstücks 2 eingehalten werden.

Haben die zu erwärmenden Enden des Werkstücks 2 unterschiedliche Längen (Fig. 3c), so ist auch mit unterschiedlichen Längenausdehnungen pro Werkstückseite zu rechnen. An genommen, die Längenausdehnung beträgt 1 mm und das Längenverhältnis der beiden Zapfen des Werkstücks 2 beträgt 1 : 2, dann wird dieses Verhältnis in den Rechner eingege ben. Das Gestell auf der Seite mit dem kurzen Zapfen verfährt dann um 0,33 mm und das Gestell auf der Seite mit dem langen Zapfen um 0,66 mm nach außen. Entsprechend dem Fall in Fig. 3a kann der Kopplungsabstand ausgemittelt werden, wenn das Antriebskonzept gemäß Fig. 2 genutzt wird. Der Unterschied des Kopplungsabstandes beträgt auf der Seite mit dem kurzen Zapfen 33% und auf der Seite mit dem langen Zapfen 66% der Län genausdehnung, jedoch kann auch hierfür durch Verschieben der Gestelle insgesamt in die entsprechende Richtung eine Halbierung der Kopplungsfehler erreicht werden.

Die Einhaltung eines konstanten, gleichbleibenden Kopplungsabstandes auf beiden Werk stückseiten ist dann möglich, wenn gemäß Fig. 3d keine durchgehende Erwärmung erfolgt und wenn beiden Induktoren 15', 15" durch Antriebe entsprechend des gemessenen Län genverzugs im Verhältnis der Ausdehnung verfahren werden.

Die Erfindung ist für eine horizontal arbeitende Trommelmaschine beschrieben worden. Das Konzept kann aber gleichermaßen auch bei vertikal ausgerichteten Maschinen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Oberflächenvergüten metallischer Werkstücke (2) durch induktive Wär mebehandlung,
bei dem das Werkstück (2) durch federbelastetes, stirnseitiges Einspannen gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspannkraft während der durch die Wärmebehandlung bedingten Längenän derung des Werkstücks (2) in etwa konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannkraft in Abhängigkeit von der über die Zeit zu erwarteten Längenän derung nachreguliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung des Werkstücks (2) und/oder die Einspannkraft über den Be handlungszeitraum gemessen und gegebenenfalls die Einspannkraft nachreguliert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nachregulieren der Einspannkraft wenigstens eine Spannposition des Werk stücks (2) verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spannpositionen des Werkstücks (2) verändert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spannpositionen entsprechend verändert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannpositionen in Abhängigkeit von der in diesem Bereich auftreten den Längenänderung des Werkstücks (2) entsprechend gewichtet verändert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (15', 15") für die Wärmebehandlung in seiner Position nicht verstellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (15', 15") für die Wärmebehandlung in Abhängigkeit von der Länge nänderung des Werkstücks (2) in seiner Position verstellt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis 9,
mit einer eine Spannfeder (6') aufweisenden Einspanneinrichtung (1) zum Einspannen des Werkstücks (2) zwischen seinen stirnseitigen Enden sowie
mit einem Induktor (15', 15"),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspanneinrichtung (1) eine Längenmeßeinrichtung (8') und/oder eine Kraft meßeinrichtung aufweist und
daß die Einspanneinrichtung (1) in Längsrichtung des Werkstücks (2) einen rechnerge steuerten Verstellantrieb (11', 11") aufweist.

11. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß als Längenmeßeinrichtung (8') ein induktiver Meßkopf, ein Laser-Meßkopf, ein Potentiometer Meßkopf oder ein inkrementiell arbeitender Meßkopf vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspanneinrichtung (1) an einem Gestell (3', 3") angeordnet ist und daß der Verstellantrieb (11', 11") in Wirkverbindung mit diesem Gestell (3', 3") steht.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspanneinrichtung (1) zwei voneinander unabhängige Einspanneinrichtungs hälften (1', 1") aufweist und
daß jeder der beiden Einspanneinrichtungshälften (1', 1") ein Verstellantrieb (11', 11") zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstellantriebe (11', 11") eine gemeinsame Antriebseinheit (12) aufwei sen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstellantriebe (11', 11") unabhängig voneinander betätigbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor aus wenigstens zwei Einzel-Induktoren (15', 15") besteht, welche in Abhängigkeit von der Längenbewegung des Werkstücks (2) verstellbar sind.