DE4004295A1 - Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken mittels presswerkzeugen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken mittels presswerkzeugenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern und Regeln des Formveränderungsverhaltens von
einer Wärmebehandlung zu unterwerfenden Werkstücken
während des Wärmebehandlungsverfahrens.
Bekannterweise sind die Materialbestandteile von härtbaren
Werkstoffen durch Normvorschriften in vorgegebenen,
definierten Grenzen gehalten. Jedoch führen die in diesen
Toleranzgrenzen auftretenden Unterschiede bei der
Materialzusammensetzung und im Herstellungsverfahren zu
wesentlichen Einflußfaktoren auf das
Formveränderungsverhalten von Bauteilen. Schon aus diesem
Grunde werden von Härtereien oftmals eigene Werksnormen
vorgegeben, die noch wesentlich engere Grenzen fordern.
Die Geometrie, d. h. die konstruktive Gestaltung von
Bauteilen, hat einen weiteren entscheidenden Einfluß auf
den Verzug beim Härten von Werkstücken.
Unterschiedlichste Wandstärken sowie komplizierte
nichtsymetrische Formen führen zwangsläufig zu starken
Verformungen beim Erwärmen und Abschrecken.
Auch ist auf die unterschiedliche Härtbarkeit in einer
Stahlcharge hinzuweisen. Diese ist oft auf den
Stahlherstellungsprozeß zurückzuführen. Es ist z. B.
allgemein bekannt, daß große Gußblöcke größere
Schwankungen in der Härtbarkeit aufweisen als kleine.
Ein weiterer Punkt ist hierbei, die bei der Stahlerzeugung
entstandenen Eigenspannungen im Werkstück, die bei der
Bearbeitung frei werden bzw. sich verändern.
Aus diesem Grunde müssen meist Glühvorgänge in den
Herstellungsprozeß zwischengeschaltet werden, um die
Spannungen zu reduzieren. Insbesondere bei der Herstellung
von Verzahnungen kommt es beim Härtevorgang zu größeren
Verzügen durch die bei der Verarbeitung entstandenen
Spannungsveränderungen im Werkstück.
Ein weiterer Faktor ist die Art der Wärmebehandlung. Als
die, den Verzug beeinflussende Größen fließen hierbei der
Verfahrensablauf und somit die Geschwindigkeit der
Erwärmung und die Haltedauer ein, wie auch die Auswahl und
Temperatur des Abschreckmediums.
Eine Optimierung der Prozeßparameter, wie Temperatur,
Atmosphäre etc. und eine möglichst konstante Einhaltung
derselben, haben nicht nur auf die Härte und den
Gefügezustand sondern auch auf den Härteverzug
wesentlichen Einfluß.
Ist der Härteverzug durch die Optimierung der
Einflußfaktoren nicht ausreichend einzuschränken, bleibt
nur der Einsatz von sogenannten Härtematrizen bzw.
Härtemaschinen. Der Stand der Technik sieht die
Integration von Härtemaschinen in den vollautomatischen
Produktionsprozeß vor.
Die Vielzahl der vorstehenden Einflußfaktoren auf die
Genauigkeit von Werkstücken, verhindern oftmals ein
kontrolliertes und vorhersehbares Abschreckverhalten. Es
ist deshalb das Ziel des Matrizenhärtens, dem Auftreten
von Verzügen entgegenzuwirken. Solche Matrizen lassen
sich bekannterweise aber nur derart gestalten, daß einem
definierten oder erwarteten Verzugsverhalten
entgegengewirkt werden kann.
Wenn das Verzugsverhalten von gleichartigen Werkstücken
aufgrund z. B. verschiedener Werkstoffzusammensetzung oder
Eigenspannungen etc. unterschiedlich ist, so ist zumindest
je zu verarbeitender Charge eine Optimierung der Matrize
und einer Einstellung der optimalen Preßkräfte,
Temperaturen, Zeiten etc. erforderlich.
Es liegt die Kenntnis zugrunde, daß für ein optimales
Ergebnis die verantwortlichen Parameter von Werkstück zu
Werkstück verändert werden müßten.
Solch extreme Forderungen konnten bis heute vom Stand der
Technik nicht realisiert werden. Herkömmlicherweise wird
daher zum Zwecke der Qualitätsfeststellung wie folgt
vorgegangen:
Versuchsweise ist zu ermitteln, welche Resultate bei einer festen, teilespezifischen Matrizen- und Parametereinstellung erzielt werden. Ist ein zufriedenstellend hoher Prozentsatz (nahezu 100%) von Teilen innerhalb einer geforderten Toleranzgrenze, brauchen in der Regel keine weiteren Anstrengungen unternommen zu werden, d. h. eine konventionelle Anlagenkonfiguration ist ausreichend.
Versuchsweise ist zu ermitteln, welche Resultate bei einer festen, teilespezifischen Matrizen- und Parametereinstellung erzielt werden. Ist ein zufriedenstellend hoher Prozentsatz (nahezu 100%) von Teilen innerhalb einer geforderten Toleranzgrenze, brauchen in der Regel keine weiteren Anstrengungen unternommen zu werden, d. h. eine konventionelle Anlagenkonfiguration ist ausreichend.
Stellt man jedoch fest, daß chargenweise Unterschiede
auftreten, die nicht toleriert werden können, so ist es im
nächsten Schritt beim Stand der Technik zweckmäßig, vor
Produktionsfreigabe Probehärtungen durchzuführen und
anhand der Meßergebnisse eine Korrektur der Matrize oder
der Prozeßparamerter vorzunehmen. Eine erneute Probe
zeigt, ob die vorgenommene Korrektur den gewünschten
Erfolg gebracht hat, oder ob weitere Veränderungen
erforderlich sind.
Ein solches Vorgehen wird heute in der Praxis vereinzelt
im vollautomatisierten Betrieb angewendet. Es setzt aber
voraus, daß genügend Zeit zur Durchführung der
Probehärtung und Korrektur der Parameter vorhanden ist.
Ebenso setzt es ein bestimmtes Know-How voraus, welche
Veränderungen erfolgen müssen. Müssen Parameter bei der
bereits laufenden Fertigung verändert werden, ist die
Gefahr der Produktion von Ausschuß sehr groß, insbesondere
wenn hohe Leistungen gefahren werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nach der
Härtemaschine automatisierte Meßeinrichtungen zu
installieren. So können laufende Korrekturen der Parameter
über Regelkreise vorgenommen und abdriftende Meßwerte
korrigiert werden. Liegt ein vermessenes Werkstück
außerhalb des Toleranzbereiches, so kann es automatisch
ausgeschieden und/oder einem Nachbearbeitungsgang
zugeführt werden. Das Messen nach der Härtemaschine
bedeutet eine 100%ige Kontrolle, wodurch fehlerhafte
Werkstücke aus dem weiteren Produktionsfluß eliminiert
werden können.
Aber auch das automatische Messen nach den Härtemaschinen
hat keinen Einfluß mehr auf den Härtevorgang des
vermessenen Teils. Es können nur im Nachhinein
Rückschlüsse gezogen und Veränderungen bei den nachfolgend
zu härtenden Werkstücke vorgenommen werden. Es ist auch
darauf hinzuweisen, daß ein automatisches Vermessen
relativ teuer ist und Faktoren, wie Verschmutzung durch
Zunder und Temperaturveränderungen zu berücksichtigen
sind. Deshalb können auch Zwischenbehandlungsschritte vor
dem Messen erforderlich sein, z. B. Waschen, die den
Zeitraum zwischen Abschrecken Messen und Steuern
verlängern. Dadurch erhöht sich wiederum das
Ausschußrisiko.
Als weiteren Schritt wurde beim Stand der Technik z. B.
anhand von bestimmten Kontrollen, wie der Kraft zum
Auspressen eines Dornes, abgeschätzt, wie fest ein
Werkstück auf einen Dorn aufgeschrumpft ist und unter
Umständen daraus Rückschlüsse auf die Genauigkeit der
Bohrung zu ziehen. Solche Kontrollen wurden in der
Vergangenheit an einigen Anlagen durchgeführt und haben
aber oftmals nicht den erwünschten Erfolg gebracht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern und Regeln der
Maßgenauigkeit von einer Wärmebehandlung zu unterwerfenden
Werkstücken, während des Arbeitsverfahrens zu schaffen,
wobei nahezu 100% der produzierten Werkstücke innerhalb
der Toleranzvorgaben hinsichtlich Werkstückdurchmesser,
Planizität, Ovalität, Härte und Gefügezustand liegen
sollen. Die Messung, Steuerung und Regelung soll gemäß
vorliegender Erfindung während der Gefügeumbildung bei
kontrolliertem Abfluß der Wärmeenergie erfolgen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren
nach Anspruch 1 gelöst. Ferner wird das Verfahren gemäß
einer Vorrichtung des Anspruchs 2 durchgeführt, wobei
besonders bevorzugte Ausführungsformen in den
Unteransprüchen gekennzeichnet sind.
Hierbei sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum
Steuern und Regeln des Formänderungsverhaltens von einer
Wärmebehandlung zu unterwerfenden Werkstücken während des
Wärmebehandlungsverfahrens vor, daß das zur Abkühlung
verwendete Kühlmedium zur Messung des Temperaturverhaltens
herangezogen wird, wobei zu definierten Zeitpunkten die
jeweilige Temperatur des Kühlmediums als Istwert erfaßt,
dieser Istwert mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und
die erforderliche Stellgröße korrigiert wird, indem
mindestens ein Kühlmittelstrom mit einer von der Istgröße
abweichenden Temperatur in den gegebenenfalls
zirkulierenden Kühlmittelstrom eingeführt und zusätzlich
oder alternativ die Strömungsgeschwindigkeit oder die
Durchflußmenge des Kühlmittelstroms im Kühlkreislauf und/oder die
mechanischen und thermischen Größen wie Druck- und Erwärmungs
parameter entsprechend des geforderten Sollwertes verändert werden.
Eine besondere Verfahrensweise der Erfindung sieht dabei
vor, daß neben der Kühlmitteltemperaturmessung durch
entsprechende thermische Rezeptoren am Werkstück oder am
Werkzeug bzw. temperaturkompensierte Sensoren eine
Werkstück- oder Werkzeugtemperaturmessung, durch die
Messung des Geometrieverhaltens über ein Wegmeßsystem, das
am, das Werkstück aufnehmenden Dorn und/oder in der
Planauflage des Werkstückes integriert ist und durch
Messung des Druckänderungsverhaltens Istwerte gewonnen
werden, die in die Steuerkette einfließen.
Der Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten erfolgt
mittels Zuleitung der ermittelten Werte in eine
Datenverarbeitungsanlage, in der die entsprechenden
Sollwerte gespeichert und zum Vergleich mit allen zu
berücksichtigenden Istwerten vorliegen, wonach bei
Abweichung mit den Sollwerten entsprechender Einfluß auf
die Stellglieder genommen wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht
aus einer das Werkstück aufnehmenden Matrize mit
Preßstempel und/oder Spreizdorn, wobei die Vorrichtung
einen Kühlkreislauf zum Zwecke des Umströmens des
Werkstückes mit einem Kühlmedium aufweist. In dieser
Vorrichtung ist mindestens ein im Kühlkreislauf, in
Strömungsrichtung räumlich nach dem Werkstück angeordneter
Fühler zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur als Istwert
vorgesehen, wobei in der Zuführleitung in
Strömungsrichtung räumlich vor dem Werkstück mindestens
ein Stellglied zur Korrektur der Durchflußmenge und/oder
Strömungsgeschwindigkeit und/oder mindestens eine weitere
Zuführleitung für ein Kühlmedium mit einer vom
Kühlkreislauf abweichenden Temperatur aufweist, wobei
vorgesehen ist, daß in der Werkstückauflage mindestens ein
thermischer Rezeptor zur Erfassung der Werkstücktemperatur
und/oder mindestens ein temperaturkompensierter Sensor
angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich sind diese
Maßnahmen am Werkzeug getroffen.
Es ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzustreben,
so viele Istwerte als möglich in die Steuerkette
einfließen zu lassen, wobei auch in Betracht gezogen wird,
daß Meßsensoren im Bereich der Planauflage angeordnet sind
und/oder daß der das Werkstück aufnehmende Dorn und/oder
der Preßstempel ein Wegmeßsystem oder ein Druckmeßsystem
zur Erfassung der senkrechten Bewegung bzw. des
auftretenden Druckes vorsieht.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
der Fühler zur Temperaturerfassung des Kühlmittels als
Thermoelement vorliegt, wobei diesen Fühlern ein
Meßumformer und Meßverstärker zugeordnet ist.
Anhand den beigefügten Zeichnungen, wird das Wesen der
Erfindung dargestellt und näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Matrize mit den
schematisch dargestellten Anordnungen der
Rezeptoren bzw. Sensoren;
Fig. 2 eine Vergrößerung der Fig. 1;
Fig. 3 die Werkstückauflage.
In Fig. 1 und 2 ist ein Querschnitt durch eine Matrize 15
dargestellt, in der ein Werkstück 2 aufgenommen ist. Als
Werkzeug 3 sind in Bezug auf diese Erfindung alle das
Werkstück 2 beeinflussende Elemente, wie Dorn 6,
Niederhaltung 11, Planauflage 7, Matrize 15 usw. zu
verstehen.
In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich das Werkstück
2 auf der Plan- bzw. Werkstückauflage 7. Erkennbar sind
die Rezeptoren bzw. Sensoren bzw. Fühler 4.
Hierbei sind mit den Bezugszeichen 4a der Fühler in
Strömungsrichtung, räumlich nach dem Werkstück 2
angeordnet, zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur; mit
dem Bezugszeichen 4b die thermischen Rezeptoren bzw.
Sensoren der Werkzeuge 3, wie Dorn 6, Planauflage 7,
Niederhaltung 11 und mit dem Bezugszeichen 4c die
thermischen Rezeptoren bzw. Sensoren am Werkstück 2
gekennzeichnet.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist das Kühlmedium und durch die
Pfeilanzeige dessen Strömungsrichtung definiert.
In Strömungsrichtung räumlich vor dem Werkstück 2 befindet
sich eine Zuführleitung 8 zum Einlaß des Kühlmediums 1 in
das Werkzeug 3 bzw. die Matrize 15.
Diese weist ein Stellglied 9 und eine weitere
Zuführleitung 10 auf.
Durch die Zuführleitung 8 und 10 wird entsprechend den
gewonnenen in die Steuerkette eingeflossenen Werte und den
Regelerfordernissen die Strömungsgeschwindigkeit, Menge
des zufließenden Kühlmediums und gegebenenfalls die
Kühlmittelzufuhr mit geringerer oder höherer Temperatur
manipuliert.
Die Anordnung der Rezeptoren bzw. Sensoren 4 ist in dieser
Ausführung beispielhaft gewählt.
Selbstverständlich liegt im Sinne dieser Erfindung, die
Lage der Rezeptoren bzw. Sensoren 4 entsprechend den
Erfordernissen und der Effizienz zu variieren und
gegebenenfalls deren Anzahl zu erhöhen und die Anordnung
sowie Menge zu optimieren.
Fig. 3 zeigt beispielsweise die Plan- bzw.
Werkstückauflage 7 mit Wegmeßsystem 5 und Druckmeßsystem
12. Hierbei ist mit dem Bezugszeichen 5a das Wegmeßsystem
am Dorn 6 und mit 5b das Wegmeßsystem an der Planauflage 7
gekennzeichnet.
Ferner sind die Druckmeßsysteme 12a am Werkstück 2 und
12b am Dorn 6 dargestellt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine
Vorrichtung geschaffen, die über den Weg der
Kühlmitteltemperatur-, Werkstücktemperatur-,
Werkzeugtemperatur-, Geometrieverhaltens- und
Druckveränderungsverhaltensmessung nahezu alle für eine
Regelung erforderlichen Istwerte erfaßt werden, die in die
Steuerkette einfließen.
Eventuell können Druckmeßdosen zur Erfassung der Kräfte
herangezogen werden.
Neben der Regelung der Kühlmittelzufuhr hinsichtlich
Menge, Geschwindigkeit und Temperatur können diese Werte
auch dazu genutzt werden, mechanische Einflüsse, wie z. B.
Gegendruck an den Werkzeugen, entsprechend den Erforder
nissen zu verändern.
Bezugszeichenliste
1 Kühlmedium
2 Werkstück
3 Werkzeug
4 Rezeptoren/Sensoren/Fühler
5 Wegmeßsystem
6 Dorn
7 Plan- bzw. Werkstückauflage
8 Zuführleitung
9 Stellglied
10 Zuführleitung
11 Niederhaltung
12 Druckmeßsystem/Drucksensor
13 Meßumformer (nicht dargestellt)
14 Meßverstärker (nicht dargestellt)
15 Matrize
2 Werkstück
3 Werkzeug
4 Rezeptoren/Sensoren/Fühler
5 Wegmeßsystem
6 Dorn
7 Plan- bzw. Werkstückauflage
8 Zuführleitung
9 Stellglied
10 Zuführleitung
11 Niederhaltung
12 Druckmeßsystem/Drucksensor
13 Meßumformer (nicht dargestellt)
14 Meßverstärker (nicht dargestellt)
15 Matrize
Claims (8)
1. Verfahren zum Steuern und Regeln des Formveränderungs
verhaltens von einer Wärmebehandlung zu
unterwerfenden Werkstücken während des
Wärmebehandlungsverfahrens in Matrizen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zur Abkühlung verwendete Kühlmedium (1)
und/oder das Werkstück (2) und/oder das Werkzeug (3)
zur Messung des Temperaturverhaltens und/oder des
Geometrieverhaltens und/oder des Druckveränderungs
verhaltens herangezogen wird, wobei mit der
Temperaturmessung des Kühlmediums die jeweilige
Temperaturveränderung des Kühlmediums (1) als Istwert
erfaßt wird und/oder mittels entsprechenden
thermischen Rezeptoren bzw. mittels temperatur
kompensierten Sensoren (4) am Werkstück (2) und/oder
am Werkzeug (3) eine Werkstück- und
Werkzeugtemperaturmessung und/oder durch ein
Wegmeßsystem (5) am, das Werkstück aufnehmenden Dorn
(6) und/oder am Innen- oder Außendurchmesser des
Werkstücks (2) eine Messung des Geometrieverhaltens
und/oder mittels Drucksensoren am Werkstück (2) oder
Werkzeug (3) eine Druckveränderungsmessung
vorgenommen wird, deren Istwerte in die Steuerkette
einfließen, indem diese Istwerte mit vorgegebenen
zeitabhängigen Sollwerten verglichen und die
erforderliche Stellgröße korrigiert wird, indem
mindestens ein Kühlmittelstrom mit einer von der
Istgröße abweichenden Temperatur in den
gegebenenfalls zirkulierenden Kühlmittelstrom
eingeführt und/oder die Strömungsgeschwindigkeit
und/oder die Durchflußmenge des Kühlmittelstromes im
Kühlkreislauf und/oder die mechanischen und thermischen
Größen wie Druck- und Erwärmungsparameter entsprechend
des geforderten Sollwertes verändert werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, bestehend aus einer das Werkstück
aufnehmende Matrize mit Preßstempel und/oder
Spreizdorn, wobei die Vorrichtung einen Kühlkreis
lauf zum Zwecke des Umströmens des Werkstückes mit
einem Kühlmedium aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung mindestens ein im Kühlkreislauf
in Strömungsrichtung räumlich nach dem Werkstück (2)
angeordneten Fühler (4a) zur Erfassung der Kühlmittel
temperatur als Istwert aufweist, wobei in der
Zuführleitung (8) in Strömungsrichtung räumlich vor
dem Werkstück (2) mindestens ein Stellglied (9) zur
Korrektur der Durchflußmenge und/oder der
Strömungsgeschwindigkeit und/oder eine Zuführleitung
(10) für ein Kühlmedium mit einer vom Kühlkreislauf
abweichenden Temperatur aufweist und/oder am
Werkstück (2) bzw. am Werkzeug (3) mindestens ein
thermischer Rezeptor bzw. mindestens ein
temperaturkompensierter Sensor (4) zur Erfassung der
Werkstücktemperatur und/oder am Werkzeug (3) oder
Werkstück (2) mindestens ein Drucksensor (12) zur
Erfassung der Druckveränderung angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Meßsensor (4b) im Bereich der
Planauflage angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der das Werkstück aufnehmende Dorn (6) und/oder
der Preßstempel ein Wegmeßsystem zur Erfassung der
senkrechten Bewegung aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der das Werkstück aufnehmende Dorn (6) und/oder
der Preßstempel ein Druckmeßsystem (12) zur Erfassung
der Druckkraft aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fühler zur Temperaturerfassung des
Kühlmittels als Thermoelement vorliegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Fühler ein Meßumformer und ein Meßverstärker
zugeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Speicherung der Sollwerte und Vergleich der
Istwerte, der Vorrichtung eine Datenverarbeitungs-
Anlage mit Software zugeordnet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904004295 DE4004295A1 (de) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken mittels presswerkzeugen |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904004295 DE4004295A1 (de) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken mittels presswerkzeugen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4004295A1 true DE4004295A1 (de) | 1991-08-14 |
DE4004295C2 DE4004295C2 (de) | 1992-01-23 |
Family
ID=6399984
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904004295 Granted DE4004295A1 (de) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken mittels presswerkzeugen |
Country Status (2)
Country | Link |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4135313A1 (de) * | 1991-10-25 | 1993-04-29 | Ipsen Ind Int Gmbh | Verfahren zum abkuehlen einer werkstueckcharge innerhalb eines waermebehandlungsprozesses |
DE102009001012B3 (de) * | 2009-02-19 | 2010-06-10 | Ema Indutec Gmbh | Härtemaschine und Verfahren zum induktiven Fixturhärten |
WO2010094735A2 (de) | 2009-02-19 | 2010-08-26 | Ema Indutec Gmbh | Härtemaschine und verfahren zum induktiven fixturhärten |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0446425A1 (de) | 1991-09-18 |
DE4004295C2 (de) | 1992-01-23 |
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