DE202011002452U1

DE202011002452U1 - Vorrichtung zum induktiven Härten

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Publication number: DE202011002452U1
Application number: DE202011002452U
Authority: DE
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2021-02-08

Abstract

Vorrichtung (1) zum induktiven Härten länglicher, metallischer Bauteile (2) bestehend aus den Elementen Induktionsspule (3) und Brause (4), dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher Bestandteil mindestens ein Element (5) zur Bestimmung der aktuellen relativen räumlichen Ist-Position des Bauteils relativ zur Vorrichtung (1) und zu einer vorgegebenen Soll-Position enthalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Härten von länglichen, metallischen Bauteilen.
Bei der Herstellung gehärteter Bauteile auf Stahlbasis werden diese im Allgemeinen über eine legierungsabhängige Grenztemperatur erhitzt und danach schnell abgekühlt. Beim Aufwärmen werden die Legierungselemente in Lösung gebracht und beim Abschrecken in der Stahlmatrix eingefroren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, mit denen das Erwärmen der Bauteile durchgeführt werden kann. Dazu gehören das Aufheizen der Bauteile in einem Ofen oder die Bestrahlung mit Infrarotlampen. Besonders bei langgestreckten Bauteilen ist die induktive Heizung aufgrund des geringen Platzbedarfs und der hohen Präzision des Heizvorganges vorteilhaft gegenüber anderen Methoden.
Beim induktiven Heizen wird die Induktionsspule entlang des zu härtenden Bauteils bewegt. Die Spule wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt, wodurch über das so erzeugte magnetische Wechselfeld der Spule elektrische Wirbelströme im Metall hervorgerufen werden. Deren Wärmeverluste führen zu dem gewünschten Aufheizen des Metalls.
Das Abschrecken wird üblicherweise durch eine unmittelbar nach der Spule angeordneten Brause durchgeführt, die ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, auf das heiße Bauteil sprüht.
Spule und Brause werden gemeinsam oder separat mit entsprechenden Manipulatoren oder Robotern entlang eines vorprogrammierten Pfades geführt, der die räumliche Geometrie des Bauteils abbildet. Alternativ können auch Spule und Brause ortsfest gelagert sein und das Bauteil wird bewegt und ebenso können sich die Bewegungen von Spule und Brause sowie des Bauteils überlagern.
Die optimale Durchglühung des Bauteils ist dabei stark von dessen Positionierung innerhalb der Spule abgängig. Bereits eine Abweichung um wenige Millimeter von der optimalen Position beeinträchtigt das Ergebnis stark. Gerade in gebogenen Sektionen eines Bauteils, insbesondere Rohren, wo die Materialverteilung ungleichmäßig ist, wird eine korrekte Positionierung besonders wichtig.
Die automatisierte Positionierung wird besonders dadurch erschwert, dass verschiedene Lose des gleichen Bauteiles herstellungsbedingt Abweichungen innerhalb gewisser Toleranzen voneinander zeigen, die sich durchaus im Bereich von Millimetern bewegen können.
Auch wenn äußerlich gleiche Bauteile ihrer endgültigen Verwendung entsprechend unterschiedlich vorbehandelt werden, kann dies zu verändertem Setzverhalten und geometrischen Abweichungen sogar von Bauteil zu Bauteil führen.
Bei komplex geformten Bauteilen, sei es auf den Querschnitt bezogen oder auf die Geometrie im Raum, ist daher die exakte Positionierung nicht ganz einfach zu realisieren.
Ein einmal programmierter Bewegungspfad für ein Bauteil ist nicht zwingend für alle Bauteile gleichermaßen brauchbar.
Dies hat zur Folge, dass auch bei einer computergesteuerten, beispielsweise speicherprogrammierten, Führung der Induktionseinrichtung kein gleichmäßiges Aufheizen der Bauteile erfolgen kann und somit auch die Gefügeumwandlung im Bauteil ungleichmäßig stattfindet. Dadurch leidet die Qualität der Teile bzw. weist ungewollte Schwankungen auf.
Die Anlage selbst muss daher zumindest für äquivalente Teile, die unterschiedlichen Losen entstammen, nachjustiert werden. Dies ist mit zusätzlichem Programmieraufwand verbunden und führt zu ungewollten Standzeiten der gesamten Anlage.
Das Setzverhalten von Bauteilen nach vorhergehenden Bearbeitungsschritten ist zudem häufig nicht vorhersehbar, so dass jedes einzelne Teil anders geartet von einer Norm abweicht, was durch einen vorgegebenen Steuerungsalgorithmus nicht berücksichtigt werden kann. Die Folge sind Kollisionen von Bauteil und Induktionsspule und damit Kurzschlüsse in der Spule oder sogar Beschädigungen an Spule oder Bauteil. Zur Vermeidung könnte die Spule mit größerem Durchmesser konzipiert werden, wobei dies allerdings wieder mit Nachteilen beim Heizprozess einhergeht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zum induktiven Heizen von länglichen, metallischen Bauteilen zu schaffen, mit der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik vermieden werden und durch die insbesondere eine exakte Positionierung der Induktionsspule in Bezug auf das Bauteil verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum induktiven Härten länglicher, metallischer Bauteile bestehend aus den Elementen Induktionsspule und Brause gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass als zusätzlicher Bestandteil mindestens ein Element zur Bestimmung der aktuellen räumlichen Ist-Position des Bauteils relativ zur Vorrichtung und zu einer vorgegebenen Soll-Position enthalten ist.
Durch die Erfindung wird eine Optimierung des Härteprozesses erreicht, indem die Führung der Induktionsspule entlang des Bauteils geregelt wird. Basis dieser Regelung sind die aus dem zusätzlichen Element gewonnen Informationen über die räumliche Orientierung des Bauteils. Wenn hier von länglichen Bauteilen die Rede ist, bedeutet dies nicht nur gerade Bauteile, sondern schließt auch Bauteile mit Biegungen oder über die Länge variierenden Querschnitten mit ein. Geometrische Abweichungen auf Grund des Herstellungsprozesses oder der Vorbehandlung der Bauteile können registriert und die Bahn des Induktors kann unmittelbar korrigiert werden.
Für die Durchführung des Härtens muss programmiertechnisch nun nur noch eine grobe Bahn für die Induktionselemente bzw. die Soll-Position des Bauteils vorgegeben werden. Abweichungen von der Norm, seien sie bedingt durch die Herstellung oder die Vorbehandlung der Bauteile, werden während des Härteprozesses erkannt und die Bahn der Induktionselemente entsprechend angepasst.
Dadurch können Spule und Brause immer optimal zum Bauteil positioniert werden, wodurch ein gleichmäßiges Aufheizen des Bauteils und damit ein gleichmäßiges Härten des Bauteils stattfindet.
Gleichzeitig werden zeitaufwändige Nachjustierungen beim Chargenwechsel vermieden und die Stillstandzeiten der Anlage minimiert.
Besonders bevorzugt kann auf eine vorherige feste Programmierung der Bahn der Induktionsvorrichtung verzichtet werden, da diese nur aus der von dem Element zur Bestimmung der Position des Rohres gelieferten Informationen erhalten wird.
Als zusätzlicher Vorteil kommt hinzu, dass die Spule und die Brause so klein wie möglich konstruiert werden können.
Die Bestimmung der Position des Bauteils wird durch geeignete, berührungslose Sensorik vorgenommen. Hierbei kann es sich beispielsweise um optische Sensoren wie Laservermessung oder Kameras handeln, es können thermographische oder andere geeignete Messgeräte eingesetzt werden und auch mechanische Sensoren sind denkbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Element zur Bestimmung der Position des Bauteiles unmittelbar in die Spule integriert, wodurch sich ein zusätzlicher Vorteil in der Kompaktheit der Konstruktion erzielen lässt.
Die einzelnen Elemente der Vorrichtung werden bevorzugt unabhängig voneinander durch Manipulatoren oder Roboter geführt, wobei aber auch jeweils zwei der Elemente gemeinsam geführt werden können und nur das dritte Element separat geführt wird oder auch alle drei Elemente gemeinsam geführt werden können.
Die Erfindung ist auch nicht darauf beschränkt, dass die Elemente der Induktionsvorrichtung entlang des ortsfesten Bauteils geführt werden. Ebenso gut kann auch das Bauteil beweglich sein und durch die ortsfest gelagerten Induktionselemente der Vorrichtung geführt werden. Zusätzlich ist es auch möglich, dass sowohl die Elemente der Induktionsvorrichtung als auch das Bauteil durch Manipulatoren oder Roboter geführt werden und sich relativ zueinander bewegen. Diese Konfiguration wirkt sich besonders bei komplexer geformten Bauteilen vorteilhaft aus, da dann Bewegungsabläufe leichter handhabbar sind und der Platzbedarf der gesamten Anlage geringer wird.
Bevorzugt beträgt der Abstand von der Spule zum Element zur Positionsbestimmung des Bauteils höchstens 10 cm.
Im Folgenden wird eine exemplarische Ausgestaltung der Erfindung näher beschrieben.
Die 1 zeigt die Anordnung der drei Einzelelemente der Vorrichtung zum induktiven Härten 1 für ein längliches, metallisches Bauteil 2. Die Vorrichtung 1 besteht aus der Induktionsspule 3, der Brause 4 sowie dem Element zur Positionsbestimmung 5. Im dargestellten Fall sind die einzelnen Elemente der Vorrichtung 1 unabhängig voneinander bewegbar, während das Bauteil 2 ortsfest steht.
Bei der induktiven Härtung des Bauteils 2 werden die einzelnen Elemente der Vorrichtung 1 entlang des Bauteils 2 geführt und haben dabei unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Die Bewegung der einzelnen Elemente wird durch nicht näher dargestellte Manipulatoren oder Roboter durchgeführt, deren Programmierung die Bahn der Elemente im Raum beinhaltet. Insbesondere ist der Steuerung die Soll-Geometrie des Bauteils vorgegeben.
Das Element zur Positonsbestimmung 5 wird in geringem Abstand zu den übrigen Elementen Richtung flussabwärts des Bauteils 2 geführt.
Der genaue Abstand hängt von der Geometrie des Bauteils 2 ab, beträgt maximal zehn Zentimeter und beträgt bevorzugt ein bis drei Zentimeter. Das Element besitzt wenigstens einen Sensor zur Bestimmung der Position des Bauteils, die an die ebenfalls zur Vorrichtung 1 gehörige Steuerung weitergegeben wird.
Die äußerliche Gestaltung des Elements zur Positionsbestimmung 5 ist derart konstruiert, dass alle geometrischen Variationen des Bauteils 2 erfasst werden. Für das im Querschnitt gleichmäßig runde Bauteil 2 in 1 genügt ein ebenfalls rundes Element. Bei komplexeren Bauteilen ist die Gestaltung entsprechend anzupassen.
Die Induktionsspule 3 dient der aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Erwärmung des Bauteils 2. Auch sie wird entlang einer vorgegebenen Bahn geführt, die von der Soll-Geometrie des Bauteils 2 abhängt. Bei einer Abweichung von Ist- zu Soll-Position, die durch das Element zur Positionsbestimmung 5 angezeigt wird, wird die Induktionsspule 3 entsprechend der Differenz nachgeführt. Dadurch wird vermieden, dass kleine Abweichungen von der Soll-Geometrie zu einer nicht optimalen Position des Bauteils 2 relativ zur Spule oder sogar zu einer Kollision der Induktionsspule 3 mit dem Bauteil führen. Denn nur durch eine ideale Positionierung des Bauteils 2 relativ zur Spule kann gewährleistet werden, dass das Bauteil vollständig und gleichmäßig auf die notwendige Temperatur erwärmt wird.
Der Zweck der Brause 4 ist das Abschrecken des erwärmten Bauteils 2 mit Wasser, wodurch das Bauteil rapide abgekühlt wird und seine Härtung abgeschlossen wird. Sie wird dementsprechend von der Induktionsspule 3 aus gesehen flussaufwärts unmittelbar nach der Induktionsspule 3 positioniert und analog zu dieser entlang des Bauteils 2 geführt. Die räumliche Position der Brause 4 relativ zum Bauteil 2 ist ebenfalls von Bedeutung, da durch sie sichergestellt wird, dass das Bauteil gleichmäßig abgekühlt und so die Gefahr von Verzügen im Bauteil minimiert wird. Deshalb ist auch die Brause 4 mit einer nicht näher dargestellten Steuerungsapparatur der Vorrichtung 1 verbunden und wird so ebenfalls auf Grund der vom Element zur Positionsbestimmung 5 festgestellten Differenz zwischen Ist- und Soll-Position des Bauteils nachgeführt.

Claims

Vorrichtung (1) zum induktiven Härten länglicher, metallischer Bauteile (2) bestehend aus den Elementen Induktionsspule (3) und Brause (4), dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher Bestandteil mindestens ein Element (5) zur Bestimmung der aktuellen relativen räumlichen Ist-Position des Bauteils relativ zur Vorrichtung (1) und zu einer vorgegebenen Soll-Position enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur automatischen Nachregelung der relativen Position der Vorrichtung entsprechend der durch das zusätzliche Element (5) bestimmten aktuellen Ist-Position des Bauteils enthalten ist
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position des Bauteils (2) durch geeignete Sensorik wie zum Beispiel Laseroptiken, Kameras, thermographische oder mechanische Messgeräte vorgenommen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) zur Bestimmung der Position flussabwärts zur Induktionsspule (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) zur Bestimmung der Position maximal in einem Abstand von 10 Zentimetern flussabwärts zur Induktionsspule (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Element (5) zur Bestimmung der Position in die Induktionsspule (3) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente der Vorrichtung (3, 4, 5) gemeinsam oder jeweils zwei Elemente gemeinsam und eines unabhängig von den anderen oder alle drei Elemente (3, 4, 5) unabhängig voneinander durch Manipulatoren oder Roboter geführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente (3, 4, 5) der Vorrichtung ortsfest sind.