DE202023101010U1 - Manufacturing line for the heat treatment of hot and cold formed spring elements - Google Patents

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Abstract

Fertigungsanlage zur Wärmebehandlung von warm- und kaltgeformten Federelementen, die nach ihrem Fertigungsprozess über eine in ihrer relativen Position veränderbare Kippvorrichtung mit einem Tableau automatisch einer in einer Schräglage angeordneten Induktionsvorrichtung mit mindestens einem Induktor zur Wärmebehandlung zugeführt werden können, wobei die Temperatur in dem Induktor stufenlos verändert werden kann, die Federelemente können im Anschluss an die Wärmebehandlung die Induktionsvorrichtung automatisch verlassen und einer Abkühlvorrichtung zugeführt werden.Production system for the heat treatment of hot and cold-formed spring elements, which after their production process can be automatically fed to an induction device arranged in an inclined position with at least one inductor for heat treatment via a tilting device whose relative position can be changed with a tableau, with the temperature in the inductor being steplessly changed can be, the spring elements can leave the induction device automatically following the heat treatment and be fed to a cooling device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungsanlage zur Wärmebehandlung von warm- und kaltgeformten Federelementen, die direkt nach ihrem Fertigungsprozess über eine Vorrichtung zu einer Induktionsvorrichtung mit einem Induktor zur Wärmebehandlung weitergeleitet werden.The invention relates to a production plant for the heat treatment of hot- and cold-formed spring elements, which are forwarded directly after their production process via a device to an induction device with an inductor for heat treatment.

In der DE 11 2011 102 489 T5 wird ein Verfahren zur Herstellung von Federn beschrieben, die durch ein Kalt- oder Warmbiegen in eine Spiralform geformt wurden. Anschließend wird eine Wärmebehandlung des Federstahlmaterials durch direktes elektrisches Aufheizen an dem zu behandelnden Federstahlmaterial durchgeführt. Dieses geschieht in einer Aufwärm- und Aufheizphase des Federstahlmaterials auf eine vorbestimmte Einstelltemperatur sowie einem zweiten Teil für ein Halten der Temperatur, und zwar für eine vorbestimmte Zeitperiode. Wenn die Wärmebehandlung beendet ist, wird der Strom, welcher durch das Federstahlmaterial geleitet wurde, unterbrochen, und der Federstahl kühlt auf natürliche Weise ab.In the DE 11 2011 102 489 T5 describes a method of manufacturing springs formed into a spiral shape by cold or hot bending. Subsequently, a heat treatment of the spring steel material is performed by directly electrically heating the spring steel material to be treated. This occurs in a warm-up and heating phase of the spring steel material to a predetermined set temperature and a second part for holding the temperature for a predetermined period of time. When the heat treatment is finished, the current that has been passed through the spring steel material is stopped, and the spring steel cools naturally.

Die US 8,912,472 B1 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Induktionserwärmung für Metallfedern beschrieben wird. Der Induktionswärmeprozess erfolgt durch Induzieren eines elektromagnetischen Feldes in dem leitfähigen Material der Feder. Innerhalb des leitfähigen Materials werden dadurch Wirbelströme erzeugt, deren Widerstand zu einer Erwärmung führt. Durch das Induktionserwärmungsverfahren kann eine schnellere Erwärmungszykluszeit bereitgestellt werden, als gegenüber einer Erwärmung durch atmosphärische Öfen. Dabei wird eine Induktionsspule verwendet, die flüssigkeitsgekühlt ist und auf den beiden Seiten der Feder entlang mindestens eines Teiles der Länge der Feder in Längsrichtung positioniert ist. Es ist zu erkennen, dass die Windungen der Induktionsspule auf mehr als zwei Seiten der Feder positioniert sind. Es sind mindestens zwei Windungen entlang eines Abschnittes der Länge der Feder notwendig und mindestens eine Windung ist auf einer gegenüberliegenden Seite der Feder und entlang mindestens eines Abschnittes der Länge der Feder in Längsrichtung positioniert.The US 8,912,472 B1 discloses a method describing induction heating for metal springs. The induction heating process occurs by inducing an electromagnetic field in the conductive material of the spring. This generates eddy currents within the conductive material, the resistance of which leads to heating. The induction heating method can provide a faster heating cycle time than heating by atmospheric furnaces. It utilizes an induction coil which is liquid cooled and positioned on either side of the spring along at least a portion of the longitudinal length of the spring. It can be seen that the turns of the induction coil are positioned on more than two sides of the spring. At least two coils are required along a portion of the length of the spring and at least one coil is positioned on an opposite side of the spring and along at least a portion of the longitudinal length of the spring.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass die Prozesszeit einer Wärmebehandlung von warm- und kaltgeformten Federelementen wesentlich verkürzt werden soll. Eine solche Wärmebehandlung soll für unterschiedliche Federelemente möglich sein. Durch eine gleichmäßige Wärmebehandlung soll auch die Qualität der behandelten Federelemente verbessert werden.The object of the invention is that the process time of a heat treatment of warm-formed and cold-formed spring elements should be significantly reduced. Such a heat treatment should be possible for different spring elements. Uniform heat treatment is also intended to improve the quality of the treated spring elements.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Fertigungsanlage nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.The object of the invention is achieved by a production system according to claim 1. The dependent claims reflect a further embodiment of the idea according to the invention.

Die unterschiedlichsten Stahlsorten, die zur Herstellung von Federelementen eingesetzt werden, müssen nach einer Warm- und Kaltverformung einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dieses ist notwendig, um vorhandene Spannungen im Werkstück, die bei der Warm- und Kaltverformung entstanden sind, wieder zu eliminieren. Ferner lässt sich dadurch deutlich die Gefahr reduzieren, dass bei einer weiteren Bearbeitung innere Zugspannungen gelöst werden und sich das Federelement verändert. In der Regel werden Federelemente durch eine Wärmebehandlung in ihren Eigenschaften verbessert. Dadurch wird auch die Lebensdauer positiv beeinflusst. Die Elastizität und Dehngrenze der Federwerkstoffe wird ebenfalls gesteigert, wenn die richtige Wärmebehandlung für ein Qualitätsfederelement eingehalten wird. Eine derartige Wärmebehandlung wird üblicherweise in Industrieöfen, in sogenannten Durchlauföfen, durchgeführt. The different types of steel used to manufacture spring elements must be subjected to heat treatment after hot and cold forming. This is necessary in order to eliminate existing stresses in the workpiece that have arisen during hot and cold forming. Furthermore, the risk can be significantly reduced in this way that internal tensile stresses are released during further processing and the spring element changes. As a rule, spring elements are improved in their properties by heat treatment. This also has a positive effect on the service life. The elasticity and yield strength of the spring materials is also increased if the correct heat treatment is followed for a quality spring element. Such a heat treatment is usually carried out in industrial furnaces, in so-called continuous furnaces.

Bei einer solchen Wärmebehandlung in einem Durchlaufofen ist das Federelement in einem im Wesentlichen „kalten Zustand“. Durch die langsame Erwärmung innerhalb des Durchlaufofens nimmt das Federelement die von dem Durchlaufofen eingestellte Temperatur an. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht und die Zeit innerhalb des Durchlaufofens abgelaufen ist, wird das Federelement langsam wieder abgekühlt. Dieser Zeitaufwand bei der Umsetzung des Wärmebehandlungsprozesses erfordert somit eine lange Prozesszeit. Gleichzeitig muss die gesamte wärmeprozesstechnische Durchführung des Verfahrens anwendungsbezogen auf das zu behandelnde Produkt des Federelementes angepasst werden.With such a heat treatment in a continuous furnace, the spring element is in an essentially “cold state”. Due to the slow heating inside the continuous furnace, the spring element takes on the temperature set by the continuous furnace. After the desired temperature has been reached and the time in the continuous furnace has expired, the spring element is slowly cooled down again. This expenditure of time in the implementation of the heat treatment process therefore requires a long process time. At the same time, the entire thermal process implementation of the method must be adapted to the product of the spring element to be treated in an application-related manner.

Um eine drastische Verkürzung der Wärmebehandlungsphase der Federelemente zu erzielen, wird erfindungsgemäß auf die Verwendung der elektromagnetischen Induktion zurückgegriffen. Bei der elektromagnetischen Induktion bewegt man einen elektrischen Leiter durch ein ruhendes magnetisches Feld, sodass der Leiter die Feldlinien schneidet und damit im Leiter eine elektrische Spannung induziert. Umgekehrt kann sich auch das Magnetfeld um den elektrischen Leiter ändern, auch dadurch wird ebenfalls eine elektrische Spannung induziert. Eine derartige Induktionsvorrichtung arbeitet mit induktiver Erwärmung durch elektrischen Strom, arbeitet jedoch anders als der Stand der Technik der US 8,912,472 B1 , denn das Federelement wird komplett von der Induktionsvorrichtung bei dem Wärmeprozess umschlossen. Dabei wird die Wärmeenergie auf das Federelement mittels eines Induktors übertragen. Ein solcher Induktor besteht im Wesentlichen aus einer spiralförmigen Kupferspirale, die hohl ist und in den Ruhezeiten mit Wasser gekühlt wird.In order to achieve a drastic reduction in the heat treatment phase of the spring elements, the use of electromagnetic induction is used according to the invention. In electromagnetic induction, an electrical conductor is moved through a static magnetic field so that the conductor intersects the field lines and thus induces an electrical voltage in the conductor. Conversely, the magnetic field around the electrical conductor can also change, which also induces an electrical voltage. Such an induction device works with inductive heating by electric current, but works differently than the prior art US 8,912,472 B1 , because the spring element is completely surrounded by the induction device during the heating process. The thermal energy is transferred to the spring element by means of an inductor. Such an inductor essentially consists of a helical copper spiral, which is hollow and is cooled with water during idle periods.

Induktionsvorrichtungen sind trotz der entstehenden Verluste effizienter als andere Durchlaufmethoden von Öfen, denn die Energie wird direkt in das Federelement induziert. Das bedeutet, die Wärme entsteht also direkt im Federelement und muss nicht, wie bei anderen Methoden, durch die Erwärmung von außen über die Wärmeleitung oder -strahlung in das Federelement übertragen werden. Wird an den Induktor der Induktionsvorrichtung eine Wechselspannung angelegt, so werden im Federelement Wirbelströme induziert. Diese bringen bei ausreichender Intensität in einem sehr kurzen Zeitraum die notwendige Wärme in das Federelement und erhitzen dieses auch sehr gleichmäßig. Die Eindringtiefe der Induktion hängt von der Frequenz und der Wechselspannung ab. Je hochfrequenter die Spannung, umso geringer die Eindringtiefe. Der Grad der Erwärmung kann über die Stromstärke in dem Induktor und über die Dauer der Stromzufuhr beeinflusst werden. Dadurch lassen sich Prozesszeiten sehr kurzhalten; gleichzeitig wird das Federelement nur für die Dauer der Stromzufuhr, die maximal wenige Sekunden beträgt, erhitzt. Dieses reicht aus, um eine gleichmäßige Wärmebehandlung über den gesamten Querschnitt des Federelementes zu erzielen.Despite the losses involved, induction devices are more efficient than other continuous furnace methods because the energy is induced directly into the spring element. This means that the heat is generated directly in the spring element and does not have to be transferred to the spring element by heating from the outside via thermal conduction or heat radiation, as is the case with other methods. If an AC voltage is applied to the inductor of the induction device, eddy currents are induced in the spring element. With sufficient intensity, these bring the necessary heat into the spring element in a very short period of time and also heat it up very evenly. The penetration depth of the induction depends on the frequency and the AC voltage. The higher the frequency of the voltage, the lower the penetration depth. The degree of heating can be influenced by the current strength in the inductor and the duration of the power supply. This allows process times to be kept very short; at the same time, the spring element is only heated for the duration of the power supply, which is a maximum of a few seconds. This is sufficient to achieve an even heat treatment over the entire cross section of the spring element.

Dieses allgemein vorangestellt, wird nachfolgend auf die Fertigungsanlage und den Fertigungsprozess der Wärmebehandlung eines Federelementes Bezug genommen. Nach der Phase der warm- oder kaltgeformten Formgebung des Federelementes, wobei dessen Form unterschiedlich ausgeprägt sein kann, wird direkt das aus der Fertigungsmaschine herauskommende Federelement über eine in ihrer relativen Position veränderbare Kippvorrichtung automatisch der Induktionsvorrichtung zugeführt. Dabei weist die Kippvorrichtung ein Tableau auf, das, nachdem das Federelement sich auf diesem befindet, automatisch eine Schräglage einnimmt, um so sicherzustellen, dass das Federelement auch in die in einer Schräglage montierten Induktionsvorrichtung exakt eintauchen kann. Die Induktionsvorrichtung ist mit mindestens einem Induktor zur Wärmeerzeugung und -behandlung des eingetauchten Federelementes ausgestattet. Die Induktionsvorrichtung weist vorzugsweise innen eine runde Form auf und besteht aus einem feuerfesten Material. Der Induktor selbst besteht im Wesentlichen aus einem spiralförmig gewickelten hohlen Kupferleiter, der die runde Form umschließt. Der hohle Kupferleiter wird in den Zeiten, in denen die Induktionsvorrichtung nicht aktiv ist, mit Wasser oder einem geeigneten anderen Mittel gekühlt. Dadurch, dass der Induktor eine im Wesentlichen runde innere Formausbildung aufweist, können auch Federelemente mit unterschiedlichen äußeren Abmessungen komplett umschlossen werden.Generally preceded by this, reference is made below to the production plant and the production process of the heat treatment of a spring element. After the phase of hot or cold forming of the spring element, the shape of which can vary, the spring element coming out of the production machine is automatically fed directly to the induction device via a tilting device whose relative position can be changed. The tilting device has a tableau which, after the spring element is located on it, automatically assumes an inclined position in order to ensure that the spring element can also dip exactly into the induction device mounted in an inclined position. The induction device is equipped with at least one inductor for heat generation and treatment of the immersed spring element. The induction device preferably has a round shape on the inside and consists of a refractory material. The inductor itself essentially consists of a spirally wound hollow copper conductor that encloses the round shape. The hollow copper conductor is cooled with water or some other suitable means during the periods when the induction device is not active. Due to the fact that the inductor has a substantially round inner shape, spring elements with different outer dimensions can also be completely enclosed.

Sobald sich das Federelement innerhalb der Induktionsvorrichtung befindet, wird der Induktor mit Wechselstrom bestromt und es erfolgt eine unmittelbare gleichmäßige Erhitzung des Federelementes in der Induktionsvorrichtung. Dieser Prozess der Wärmebehandlung dauert im Verhältnis zu den üblicherweise verwendeten Durchlauföfen nur einen sehr geringen zeitlichen Bruchteil. Die aktive Zeit, in der der Induktor bestromt wird, kann der Größe und der Geometrie von unterschiedlichen Federelementen angepasst werden. Ebenfalls kann in dem Prozessablauf über ein Pyrometer beispielsweise die Temperatur innerhalb des Induktors gemessen werden.As soon as the spring element is inside the induction device, the inductor is supplied with alternating current and the spring element in the induction device is heated immediately and uniformly. This process of heat treatment only takes a very small fraction of the time compared to the conventionally used continuous furnaces. The active time in which the inductor is energized can be adapted to the size and geometry of different spring elements. The temperature inside the inductor, for example, can also be measured in the course of the process using a pyrometer.

Nachdem das Federelement innerhalb der Induktionsvorrichtung die notwendige Wärmebehandlung erfahren hat, wird das Ende der Induktionsvorrichtung, das bisher geschlossen war, automatisch geöffnet, sodass das Federelement automatisch auf eine Abkühlvorrichtung gleitet. Dieses ist möglich, da die Induktionsvorrichtung in einer Schräglage ausgeführt wird. Die Zeit der Wärmebehandlung innerhalb der Induktionsvorrichtung richtet sich nach der Größe des Federelementes. Dabei wird im Wesentlichen ein Temperaturbereich von 200-270°C als ausreichend angesehen.After the spring element has undergone the necessary heat treatment within the induction device, the end of the induction device that was previously closed is automatically opened, so that the spring element automatically slides onto a cooling device. This is possible because the induction device is designed in an inclined position. The time of the heat treatment within the induction device depends on the size of the spring element. A temperature range of 200-270°C is essentially considered sufficient.

Die Fertigungsanlage zur Wärmebehandlung von warm- und kaltgeformten Federelementen in Verbindung mit der Induktionsvorrichtung bietet sehr große Vorteile, denn es muss kein Kontakt zwischen dem Federelement und dem Induktor bestehen. Durch die hohe Energiedichte und Schnelligkeit der Erwärmung wird die Prozessdauer insgesamt wesentlich verkürzt. Ebenfalls ist eine gute Regulierung der Temperatur und auch Anpassung der Zeit möglich. Innerhalb des Federelementes wird eine gleichmäßige Erwärmung erzielt, was für die Lebensdauer des Federelementes einen großen Wirkungsgrad bedeutet. Ferner bedeutet es, dass nur geringe Umweltbeeinflussungen entstehen.The manufacturing line for heat treatment of hot and cold formed spring elements in connection with the induction device offers very great advantages because there does not have to be contact between the spring element and the inductor. Due to the high energy density and speed of heating, the overall process time is significantly reduced. A good regulation of the temperature and also adjustment of the time is also possible. Uniform heating is achieved within the spring element, which means a high level of efficiency for the service life of the spring element. It also means that there is little environmental impact.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 112011102489 T5 [0002]DE 112011102489 T5 [0002]
  • US 8912472 B1 [0003, 0008]US 8912472 B1 [0003, 0008]

Claims (5)

Fertigungsanlage zur Wärmebehandlung von warm- und kaltgeformten Federelementen, die nach ihrem Fertigungsprozess über eine in ihrer relativen Position veränderbare Kippvorrichtung mit einem Tableau automatisch einer in einer Schräglage angeordneten Induktionsvorrichtung mit mindestens einem Induktor zur Wärmebehandlung zugeführt werden können, wobei die Temperatur in dem Induktor stufenlos verändert werden kann, die Federelemente können im Anschluss an die Wärmebehandlung die Induktionsvorrichtung automatisch verlassen und einer Abkühlvorrichtung zugeführt werden.Production system for the heat treatment of hot and cold-formed spring elements, which after their production process can be automatically fed to an induction device arranged in an inclined position with at least one inductor for heat treatment via a tilting device whose relative position can be changed with a tableau, with the temperature in the inductor being steplessly changed can be, the spring elements can leave the induction device automatically following the heat treatment and be fed to a cooling device. Fertigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in ihrer relativen Position veränderbare Kippvorrichtung mit dem Tableau zur Aufnahme des Federelementes automatisch in eine Schräglage versetzbar ist, in der das aufliegende Federelement direkt in die Induktionsvorrichtung eintauchen kann.manufacturing plant claim 1 , characterized in that the changeable in their relative position tilting device with the tableau for receiving the spring element can be automatically placed in an inclined position in which the overlying spring element can dip directly into the induction device. Fertigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Induktionsvorrichtung an ihrem unteren Ende einen automatisch betätigbaren Verschluss aufweist.manufacturing plant claim 1 , characterized in that the induction device has an automatically operable closure at its lower end. Fertigungsanlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsvorrichtung aus einem feuerfesten Material besteht, das einen im Wesentlichen runden hohlen Querschnitt aufweist, der außen von einem Induktor umschlossen wird, wobei der Induktor in einer Spiralform ausgeführt und von einem Kühlwasser durchflossen werden kann.Manufacturing plant according to one or more of the preceding claims, characterized in that the induction device consists of a refractory material which has a substantially round hollow cross-section which is surrounded on the outside by an inductor, the inductor being designed in a spiral shape and having cooling water flowing through it can be. Fertigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsvorrichtung mit einer Zeitsteuerung für die aktive veränderbare Erwärmphase des eingetauchten Federelementes versehen ist, wobei die Zeitsteuerung der Wärmebehandlung der Größe des Federelementes anpassbar ist.Production plant according to one of the preceding claims, characterized in that the induction device is provided with a time control for the active variable heating phase of the immersed spring element, the time control of the heat treatment being adaptable to the size of the spring element.
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