EP0796920A1

EP0796920A1 - Vorrichtung zum Abschrecken metallischer Werkstücke

Info

Publication number: EP0796920A1
Application number: EP96110117A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Peter
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-06-22
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2016-06-22
Also published as: EP0796920B1; DE59607412D1; ES2161317T3; DE29603022U1; ATE203779T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschreckung metallischer Werkstück, die bei Beibehaltung der Abschreckleistung für unterschiedlichste Werkstückformen und Werkstückgrößen verwendbar ist, wobei ein Düsenfeld (5) höhenverstellbar oberhalb der zu kühlenden, auf einem Rost (2) angeordneten Werkstücke (3) angeordnet, eine im wesentlichen vertikale Anströmung der Werkstücke mit dem Abschreckgas ermöglicht, der Abstand (a) zwischen dem Düsenfeld (5) und der Werkstückoberfläche (3) maximal 7 mal den Durchmesser (d) der Düsen (6) beträgt und das Düsenfeld (5) und die Werkstücke (3) relativ zueinander bewegbar sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschrecken metallischer Werkstücke mit einer Abschreckkammer mit einem wenigstens teilweise von einem Düsenfeld begrenzten Raum zur Aufnahme der Werkstücke.
Gattungsgemäße Vorrichtungen zum Abschrecken metallischer Werkstücke werden verwendet, um die Werkstücke nach einer Wärmebehandlung einer gezielten Abkühlung unterziehen zu können, um so den gewünschten Härteverlauf in dem Werkstück zu erzielen. Um bei der Gasabschreckung eine ähnlich hohe Abschreckintensität wie bei der Öl- oder Wasserabschreckung zu erzielen, ist es aus der Praxis bekannt, Gasdüsenfelder mit einem kleinen Düsendurchmesser zu verwenden, so daß bei entsprechend hohem Gasdruck vor der Düse die Gasgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse so stark erhöht wird, daß Wärmeübergangszahlen > 1000 Watt/m²K erzielt werden können.
Eine gattungsgemäße Abschreckvorrichtung mit einem Düsenfeld ist beispielsweise aus der DE-PS 42 08 485 bekannt. Bei dieser bekannten Abschreckvorrichtung ist der zur Aufnahme einzelner Werkstücke dienende Raum im wesentlichen geschlossen ausgebildet und das Düsenfeld an die Gestalt der zu kühlenden Oberfläche des eingebrachten Werkstückes angepaßt ausgestaltet. Diese individuelle Anpassung des Düsenfeldes an die Form des abzuschreckenden Werkstückes ermöglicht zusammen mit dem beidseitigen horizontalen Anströmen der Werkstücke mit dem Abschreckgas zwar eine sehr effektive und gezielte Abschreckung der zu behandelnden Werkstücke, nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß das Düsenfeld immer genau an die abzuschreckenden Werkstücke angepaßt werden muß. Dies bedeutet, daß bei jeder Änderung der Form des abzuschreckenden Werkstückes auch das Düsenfeld der neuen Werkstückform entsprechend geändert werden muß. Für einen variablen Betrieb einer Abschreckvorrichtung, die zur Abschreckung unterschiedlichster Werkstückformen und Werkstückgrößen dienen soll, ist diese aus der DE-PS 42 08 485 bekannte Abschreckvorrichtung somit nicht geeignet, da die Vorhaltung unterschiedlichster Düsenfeldformen sowie die laufende Umrüstung der Abschreckvorrichtung einen wirtschaftlichen Betrieb einer solchen Vorrichtung nicht erlauben.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abschreckung metallischer Werkstück der Eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei Beibehaltung der Abschreckleistung die Vorrichtung für unterschiedlichste Werkstückformen und Werkstückgrößen verwendbar ist.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Düsenfeld höhenverstellbar oberhalb der zu kühlenden, auf einem Rost angeordneten Werkstücke angeordnet, eine im wesentlichen vertikale Anströmung der Werkstücke mit dem Abschreckgas ermöglicht, wobei der Abstand a zwischen dem Düsenfeld und der Werkstückoberfläche maximal 7 mal den Durchmesser der Düsen beträgt und das Düsenfeld und die Werkstücke relativ zueinander bewegbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen Abschreckvorrichtung wird eine optimale Kombination der guten Abschreckleistung bei Verwendung eines Düsenfeldes mit einer variabel verwendbaren Vorrichtung erreicht. Durch die Ausbildung des Düsenfeldes als im wesentlichen ebenes Düsenfeld oberhalb der abzuschreckenden Werkstücke können die abzuschreckenden Werkstücke die unterschiedlichsten Formen und Größen aufweisen, da durch einfaches Höhenverstellen des Düsenfeldes eine Anpassung des Düsenfeldes an die abzuschreckenden Werkstücke erreicht wird. Da das Düsenfeld der erfindungsgemäßen Abschreckvorrichtung im Gegensatz zu dem Düsenfeld der aus der DE-PS 42 08 485 bekannten Vorrichtung nicht entsprechend der Gestalt der zu kühlenden Oberfläche ausgebildet ist, sondern statt dessen die abzukühlenden Werkstücke im wesentlichen nur in vertikaler Richtung mit dem Abschreckgas beaufschlagt, ist keine individuelle Anpassung des Düsenfeldes an neue Werkstückformen und/oder Werkstückgrößen notwendig.
Der Abstand a zwischen dem Düsenfeld und der Werkstückoberfläche ist so bemessen, daß der Kernstrahl der aus der Düse austretenden Gasströmung noch mit etwa der Düsenaustrittsgeschwindigkeit auf die Werkstückoberfläche trifft. Experimentelle Versuche haben dabei ergeben, daß die Geschwindigkeit im Kern der aus der Düse austretenden Gasströmung bis etwa zum 7fachen Durchmesser der Düse konstant bleibt.
Zur Vergleichmäßigung der Abkühlung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Düsenfeld und die Werkstücke relativ zueinander bewegbar sind. Durch diese Relativbewegung zwischen Düsenfeld einerseits und Werkstücken andererseits wird erreicht, daß die aus den einzelnen separaten Düsen austretenden Gasstrahlen zumindest die gesamte dem Düsenfeld zugewandte Werkstückoberfläche überstreichen.
Gemäß einer bevorzugten und besonders einfach realisierbaren Ausführungsform der Erfindung ist die den Werkstücken zugewandte Oberfläche des Düsenfeldes parallel zu dem die Werkstücke tragenden Rost ausgebildet, wobei die Düsen senkrecht in Richtung auf die Rostoberfläche ausgerichtet sind. Mit einem solchermaßen ausgebildeten Düsenfeld wird auf besonders einfache Weise ein Düsenfeld gebildet, über das die abzukühlenden Werkstücke vertikal mit dem Abschreckgas anströmbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die den Werkstücken zugewandte Oberfläche des Düsenfeldes wellenförmig symmetrisch mit winklig zueinander ausgerichteten Flächenstreifen ausgebildet, wobei der eingeschlossene Winkel eines jeden Wellenberges und eines jeden Wellentales den gleichen Betrag von minimal 130° aufweist und die Düsen rechtwinklig in den Flächenstreifen angeordnet sind. Durch die Anordnung der Düsen in den winklig zueinander ausgerichteten Flächenstreifen kann erreicht werden, daß die aus den Düsen austretende Strömung des Abschreckgases in einem Winkel von bis zu 25° aus der Senkrechten ausgelenkt wird, wodurch neben der hauptsächlich vertikalen Anströmung der Oberflächen der abzukühlenden Werkstücke auch eine Anströmung der Seitenflächen der Werkstücke erzielt werden kann. Da ein solchermaßen ausgebildetes Düsenfeld aber immer noch oberhalb der abzukühlenden Werkstücke angeordnet ist, ist auch ein solches Düsenfeld zum Abschrecken unterschiedlicher Werkstückformen und Werkstückgrößen geeignet.
Um bei der Verwendung des Düsenfeldes mit der wellenförmig ausgebildeten Oberfläche eine gegenseitige Verwirblung der Düsenstrahlen zu vermeiden, sind die Düsen zweier einander zugewandter Flächenstreifen in Längsrichtung der Flächenstreifen betrachtet versetzt zueinander entlang dieser Flächenstreifen angeordnet.
Die Relativbewegung zwischen dem Düsenfeld und den Werkstücken kann bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Abschreckvorrichtung dadurch erzielt werden, daß das Düsenfeld und/oder der Rost zur Aufnahme der abzukühlenden Werkstücke eine Schwing- oder Kreisbewegung ausführend antreibbar ist. Als Umdrehungsgeschwindigkeit für das Düsenfeld oder den Rost haben sich Umdrehungsgeschwindigkeiten von 10 bis 300 Umdrehungen/min als besonders geeignet erwiesen.
Zum Zwecke einer gleichmäßigen und schnellen Gasabschreckung mit einer hohen Abschreckintensität ist es vorteilhaft, daß über die gesamte Betriebsdauer der Abschreckvorrichtung das Abschreckgas mit einem gleichmäßigen Gasdruck und einer gleichmäßigen Gasaustrittsgeschwindigkeit auf die abzukühlenden Werkstücke trifft. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, daß in Strömungsrichtung vor dem Düsenfeld ein Stauraum ausgebildet ist. Dieser Stauraum dient dazu, das gesamte Düsenfeld gleichmäßig mit Gas zu versorgen.
Um die Abschreckkammer vom Gaskanal abtrennen zu können, sind im Gaskanal vor dem Stauraum und vor dem Ventilator Klappen angeordnet. Durch diese Klappen kann einerseits ein Verlust von Abschreckgas beim Chargenwechsel vermieden werden und andererseits erreicht werden, daß der Ventilator stets auf Nenndrehzahl läuft, so daß die volle Kühlleistung zur Verfügung steht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Düsen als Bohrungen mit einem Durchmesser d von vorzugsweise < 5 mm ausgebildet. Dieser Durchmesser hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um die gewünschten hohen Gasaustrittsgeschwindigkeiten zu erzielen.
Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Düsen als rechteckige Schlitze ausgebildet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abschrecken metallischer Werkstücke werden anhand der zugehörigen Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer ersten Ausführungsform eines Düsenfeldes;
Fig. 2: eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Düsenfeldes und
Fig. 3: eine Draufsicht auf das Düsenfeld gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Abschreckvorrichtung weist eine Abschreckkammer 1 auf, die beispielsweise am Ende eines Rollenherdofens angeordnet sowohl im Vakuumbetrieb als auch unter Atmosphärendruck betreibbar ist.
In der Abschreckkammer 1 ist ein Rost 2 zur Aufnahme abzukühlender Werkstücke 3 angeordnet. Oberhalb der auf dem Rost 2 angeordneten Werkstücke 3 ist in einer Düsenplatte 4 ein Düsenfeld 5 angeordnet, über dessen Düsen 6 durch einen Gaskanal 7 umgewälztes Abschreckgas von oben her auf die Werkstücke 3 strömen kann. Zur Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Werkstückformen und Werkstückgrößen ist die Düsenplatte 4 mit dem Düsenfeld 5 relativ zu dem Rost 2 höhenverstellbar in der Abschreckkammer 1 angeordnet, wie dies in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil dargestellt ist.
Zum Abschrecken der auf dem Rost 2 angeordneten Werkstücke 3 wird das Abschreckgas über einen von einem Motor 8 angetriebenen Ventilator 9 so in der Abschreckkammer 1 umgewälzt, daß das Abschreckgas in der durch den Pfeil dargestellten Strömungsrichtung über den Gaskanal 7 zum Stauraum 10 gelangt. Sobald der Ventilator 9 die notwendige Betriebsumdrehungszahl erreicht hat, werden Klappen 11 geöffnet, die ermöglichen, daß das Abschreckgas vom Gaskanal 7 über den Stauraum 10 hin zum Düsenfeld 5 und über die Werkstücke 3 zurück zum Ventilator 9 strömt. Die Düsen 6 des Düsenfeldes 5 weisen einen Durchmesser d von < 5 mm auf, wodurch das über den Ventilator 9 durch den Gaskanal 7 umgewälzte Abschreckgas in den Düsen 6 so stark beschleunigt wird, daß Wärmeübergangszahlen von etwa 1000 Watt/m²K an den Werkstückoberflächen erreicht werden. Die besten Abschreckintensitäten werden erreicht, wenn der Abstand a zwischen dem Düsenfeld 5 und der Werkstückoberfläche der Werkstücke 3 maximal das 7fache des Durchmessers d einer Düse 6 aufweist.
Nach dem vertikalen Umströmen der Werkstücke 3 strömt das Abschreckgas nach dem Passieren des Rostes 2 über einen Wärmetauscher 12, der notwendig ist, um das Abschreckgas wieder zurückzukühlen, über den Ventilator 9 zurück in den Gaskanal 7.
Zur Vergleichmäßigung der Abschreckleistung an den Werkstücken 3 sind die Werkstücke 3 und das Düsenfeld 5 relativ zueinander bewegbar. Im darstellten Ausführungsbeispiel ist der Rost 2 zur Aufnahme der Werkstücke 3 auf Rollen 13 gelagert, über die der Rost 2 unter dem Düsenfeld 5 gedreht werden kann. Ebenso ist es möglich, das Düsenfeld 5 durch Drehen der Düsenplatte 4 relativ zu den Werkstücken 3 zu bewegen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Düsenfeld 5 als ebenes Düsenfeld dargestellt, dessen den Werkstücken 3 zugewandte Oberfläche parallel zum Rost 2 ausgebildet ist. Um nicht nur eine rein vertikale Anströmung der Werkstücke 3 mit dem Abschreckgas zu ermöglichen, kann das Düsenfeld 5 auch, wie in Fig. 2 dargestellt, so ausgebildet sein, daß die den Werkstücken 3 zugewandte Oberfläche des Düsenfeldes 5 wellenförmig symmetrisch mit winklig zueinander ausgerichteten Flächenstreifen 14 ausgebildet ist. Die wellenförmige Struktur des Düsenfeldes 5 ist dabei so ausgebildet, daß der eingeschlossene Winkel α eines jeden Wellenberges und eines jeden Wellentales den gleichen Betrag von minimal 130° aufweist. Die rechtwinklig in den Flächenstreifen 14 angeordneten Düsen 6 weisen somit eine maximale Verlagerung aus der senkrechten Strömungsebene gemäß Fig. 1 von 25° auf. Um eine Verwirbelung der aus den Düsen 6 austretenden Prallstrahlen zweier einander zugewandter Flächenstreifen 14 zu vermeiden, sind die Düsen 6 in Längsrichtung der Flächenstreifen 14 betrachtet versetzt zueinander angeordnet. Zum Einstellen eines neuen Düsenfeldes 5 sind die Düsenplatten 4 in der Art einer Schublade auf einfache Weise aus Aufnahmen 15 herausziehbar und in diese Aufnahmen 15 wieder einschiebbar.
Eine solchermaßen ausgestaltete Abschreckvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß durch eine einfache Höhenverstellbarkeit des Düsenfeldes 5 die Vorrichtung an verschiedene Werkstückformen und Werkstückgrößen angepaßt werden kann, ohne daß einerseits langwierige Umrüstarbeiten notwendig sind und andererseits die Form des Düsenfeldes 5 an die spezielle Form des abzuschreckenden Werkstückes 3 angepaßt werden müßte.

Bezugszeichenliste

1: Abschreckkammer
2: Rost
3: Werkstück
4: Düsenplatte
5: Düsenfeld
6: Düse
7: Gaskanal
8: Motor
9: Ventilator
10: Stauraum
11: Klappe
12: Wärmetauscher
13: Rolle
14: Flächenstreifen
15: Aufnahme
α: Winkel
d: Durchmesser
a: Abstand

Claims

Vorrichtung zum Abschrecken metallischer Werkstücke mit einer Abschreckkammer (1) mit einem wenigstens teilweise von einem Düsenfeld (5) begrenzten Raum zur Aufnahme der Werkstücke (3),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Düsenfeld (5) höhenverstellbar oberhalb der zu kühlenden, auf einem Rost (2) angeordneten Werkstücke (3) angeordnet ist und eine im wesentlichen vertikale Anströmung der Werkstücke (3) mit einem Abschreckgas ermöglicht, wobei der Abstand a zwischen dem Düsenfeld (5) und der Werkstückoberfläche maximal 7 mal den Durchmeser d der Düsen (6) beträgt und das Düsenfeld (5) und die Werkstücke (3) relativ zueinander bewegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Werkstücken (3) zugewandte Oberfläche des Düsenfeldes (5) parallel zu dem die Werkstücke (3) tragenden Rost (2) ausgebildet ist und die Düsen (6) senkrecht in Richtung auf die Rostoberfläche ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Werkstücken (3) zugewandte Oberfläche des Düsenfeldes (5) wellenförmig symmetrisch mit winklig zueinander ausgerichteten Flächenstreifen (14) ausgebildet ist, wobei der eingeschlossene Winkel α eines jeden Wellenberges und eines jeden Wellentales den gleichen Betrag von minimal 130° aufweist und die Düsen (6) rechtwinklig in den Flächenstreifen (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (6) zweier einander zugewandter Flächenstreifen (14) in Längsrichtung der Flächenstreifen (14) betrachtet versetzt zueinander entlang dieser Flächenstreifen (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenfeld (5) und/oder der Rost (2) eine Schwing- oder Drehbewegung ausführend antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des Düsenfeldes (5) und/oder des Rostes (2) 10 bis 300 Umdrehungen/min beträgt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor dem Düsenfeld (5) ein Stauraum (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskanal (7) vor dem Stauraum (10) und vor dem Ventilator (9) Klappen (11) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (6) als Bohrungen mit einem Durchmesser d von vorzugsweise < 5 mm ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (6) als rechteckige Schlitze ausgebildet sind.