EP2204460B1

EP2204460B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Werkstücken

Info

Publication number: EP2204460B1
Application number: EP20090015769
Authority: EP
Inventors: Rolf-Josef Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Schwartz GmbH
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: HUE025061T2; EP2204460A2; EP2204460A3; ES2530515T3; DE102009004089B3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Werkstücken, bei dem die Werkstücke in einem Ofen in mehreren horizontalen Ofenebenen erwärmt werden, wobei die Ofenebenen vertikal übereinander angeordnet sind und sich jede Ofenebene jeweils in einer bestimmten Höhe befindet. Dabei ist jede Ofenebene zur Aufnahme wenigstens eines Werkstücks ausgebildet, und die Werkstücke werden nach der Erwärmung in einer definierten Reihenfolge aus den Ofenebenen entnommen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung bzw. einen Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zu den wichtigen Zielen der Fahrzeugindustrie zählen heute und auch zukünftig die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, die Senkung des CO₂-Ausstoßes und die Erhöhung der Insassensicherheit. Ein übliches Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und somit zur Senkung des CO₂-Ausstoßes liegt dabei beispielsweise in der Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Um jedoch gleichzeitig eine Erhöhung der Insassensicherheit zu erreichen, müssen die verwendeten Karosseriebaustähle bei geringerem Gewicht eine höhere Festigkeit aufweisen.
Es besteht daher ein stark zunehmendes Interesse an Karosseriebaustählen mit einem günstigen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Dies wird üblicherweise durch den Prozess des so genannten Presshärtens oder auch Formhärtens erreicht. Dabei wird ein Blechteil auf etwa 800°C bis 1004°C erwärmt und anschließend in einem gekühlten Werkzeug verformt und abgeschreckt. Die Festigkeit des Bauteils nimmt dadurch bis auf etwa das Dreifache zu. Das Presshärten ermöglicht den Bau leichter und dennoch steifer Karosseriebauteile durch die Kombination von Wärmebehandlung, Formgebung und gleichzeitiger kontrollierter Abkühlung.
Für die Wärmebehandlung der Karosseriebaustähle haben sich in der Vergangenheit verschiedene Ofenkonzepte herausgebildet. Insbesondere das Prinzip des Durchlaufofens hat beim Presshärten große Verbreitung gefunden. Bei diesem Ofenprinzip werden die zu erwärmenden Karosseriebaustähle auf Werkstückträgern über Fördereinrichtungen durch den Ofen transportiert. Als Fördereinrichtung kommen Rollen, Ketten oder Bänder zum Einsatz, wobei Fördereinrichtungen in mehreren Ofenebenen vorgesehen sein können.
Durchlauföfen bringen jedoch üblicherweise den Nachteil mit sich, dass sie aufgrund ihrer Längenausdehnung einen hohen Platzbedarf haben. Um eine Platzersparnis zu erreichen, können daher alternativ auch Öfen mit mehreren, horizontal übereinander angeordneten Ofenebenen verwendet werden, die auch als Etagenöfen bezeichnet werden. Die einzelnen Ofenebenen können mit Schubladenelementen versehen sein, die zum Beschicken und Entnehmen von Werkstücken horizontal aus dem Ofen gezogen werden. Die Beschickung und die Entnahme von Werkstücken aus den einzelnen übereinander angeordneten Ofenebenen erfolgt vorzugsweise über eine in der Höhe verfahrbare Beschickungs- und Entnahmeeinrichtung.
Für den nachfolgenden Transport der erwärmten Werkstücke von einem solchen Etagenofen zur anschließenden Formgebung wird eine bestimmte Zeit benötigt. In dieser Zeit erfolgt eine Abkühlung der Werkstücke, während diese durch die Umgebungsluft bewegt werden. Aufgrund der Höhenunterschiede der einzelnen Ofenebenen des Etagenofens unterscheiden sich die Zeiten für den Transport der einzelnen Werkstücke. Aus diesen verschiedenen Zeiten ergeben sich unterschiedlich hohe Temperaturverluste für die Werkstücke. Diese unterschiedlichen Temperaturverluste wiederum können zu Unterschieden in der Qualität der zu fertigenden Karosseriebauteile führen.
Die US-Patentschrift US 6 227 848 B1 offenbart ein Verfahren zum Behandeln von Werkstücken, bei die Werkstücke in einem Ofen in mehreren horizontalen Ofenebenen erwärmt werden. Die Ofenebenen sind vertikal übereinander angeordnet, wobei sich jede Ofenebene jeweils in einer Höhe befindet. Jede Ofenebene ist zur Aufnahme eines Werkstücks ausgebildet. Die Werkstücke werden nach der Erwärmung in einer definierten Reihenfolge aus den Ofenebenen entnommen. Dafür werden die Ofenebenen schrittweise vertikal bewegt, so dass sich die jeweiligen Höhen der einzelnen Ofenebenen verändern. Dabei werden die Ofenebenen so schrittweise vertikal bewegt, dass die Höhe der jeweiligen Ofenebene, aus welcher ein Werkstück entnommen wird, einer fest definierten Entnahmehöhe entspricht und sich die jeweilige Ofenebene für eine gewisse Zeitdauer auf der Entnahmehöhe befindet. Die Entnahme gestaltet sich allerdings je nach Geometrie der Werkstücke als schwierig, wodurch beim Greifen unterschiedliche Zeiträume benötigt werden können.
Die deutsche Patentschrift DE 10 2006 020781 B3 offenbart einen Ofen zum Erwärmen von Stahlplatinen mit mehreren, horizontal übereinander angeordneten Ofenebenen, wobei jede Ofenebene zur Aufnahme wenigstens einer Stahlplatine vorgesehen ist und wobei in jeder Ofenebene Mittel zum Bewegen der Stahlplatinen während der Erwärmung vorgesehen sind.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 48 606 A1 offenbart ein Verfahren zum Temperieren von Bauteilen, z. B. Halbleiterschaltkreisen, Leiterplatten und dergleichen, bei dem die Bauteile auf Trägern durch einen Eingangsschlitz in ein mit Temperierorganen versehenes Temperiergehäuse eingefördert und durch einen dem Eingangsschlitz gegenüberliegenden Ausgangsschlitz ausgefördert werden. Die Träger werden in dem Gehäuse von einem Magazin aufgenommen, das mit benachbart angeordneten Haltern versehen ist und nach Beschicken des ersten Halters schrittweise in einer Richtung aus einer Ausgangslage in aufeinanderfolgende Aufnahmepositionen verschoben wird, in denen nacheinander die einzelnen Halter des Magazins beschickt werden. Nach Beschickung sämtlicher Halter wird daraufhin das so gefüllte Magazin aus der dabei erreichten Endlage in entgegengesetzter Richtung in schnellem Rücklauf in seine Ausgangslage zurück verschoben, in der das Einfördern eines Trägers durch den Eingangsschlitz und bei gefülltem Magazin das Ausfördern des im Magazin ersten temperierten Trägers durch den Ausgangsschlitz und mit der aufeinanderfolgenden Beschickung der einzelnen Halter des Magazins das aufeinanderfolgende Ausfördern der einzelnen temperierten Träger erfolgt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe Werkstücke, insbesondere Karosseriebaustähle, erwärmt werden können, um sie anschließend zu presshärten, ohne dass es dabei zu großen Schwankungen in der Qualität der fertigen Karosseriebauteile kommt.
Das Verfahren sollte dabei sowohl die Zeit des Transfers der erwärmten Werkstücke vom Ofen an die nachfolgende Formgebung für jedes Werkstück möglichst konstant halten, als auch den Platzbedarf für den Ofen zum Erwärmen der Werkstücke minimieren.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 9 bis 14.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Behandeln von Werkstücken, bei dem die zu behandelnden Werkstücke in einem Ofen in mehreren horizontalen Ofenebenen (E₁ ... E_n), die vertikal übereinander angeordnet sind, erwärmt werden. Jede Ofenebene (E₁ ... E_n) befindet sich jeweils in einer bestimmten Höhe (h₁ ... h_n) und kann wenigstens ein zu erwärmendes Werkstück aufnehmen. Nach der Erwärmung werden die Werkstücke in einer definierten Reihenfolge aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) wieder entnommen. Für die Entnahme der erwärmten Werkstücke werden die Ofenebenen (E₁ ... E_n) schrittweise vertikal bewegt und dadurch die jeweiligen Höhen (h₁ ... h_n) der einzelnen Ofenebenen (E₁ ... E_n) verändert. Die schrittweise vertikale Bewegung erfolgt so, dass die Höhe (h₁ ... h_n) der jeweiligen Ofenebene (E₁ ... E_n), aus welcher wenigstens ein erwärmtes Werkstück entnommen wird, einer fest definierten Entnahmehöhe h_x entspricht und dass sich dabei die jeweilige Ofenebene (E₁ ... E_n) für eine Zeitdauer t > 0 auf der Entnahmehöhe h_x befindet.
Dabei ist die Lage der Ofenebenen (E₁ ... E_n) in Bezug zum Ofen fixiert, und der Ofen wird für die Entnahme der erwärmten Werkstücke aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) durch Verstellmittel schrittweise vertikal bewegt. Eine Ausführungsform des Verfahren verwendet dabei als Verstellmittel ein Hubsystem, eine andere Ausführungsform dagegen ein Zugsystem.
Die erwärmten Werkstücke werden in einer Weiterbildung des Verfahrens mittels einer Transfervorrichtung auf der Entnahmehöhe h_x aus den jeweiligen Ofenebenen (E₁ ... E_n) entnommen. Die Entnahme erfolgt dabei so, dass die Transfervorrichtung die Werkstücke auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufnimmt und wenigstens teilweise horizontal abtransportiert. Beispielsweise werden die Werkstücke horizontal auf der definierten Entnahmehöhe h_x abtransportiert.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird nach der Entnahme eines erwärmten Werkstücks aus einer der Ofenebenen (E₁ ... E_n) ein neues zu behandelndes Werkstück in dieselbe Ofenebene (E₁... E_n) eingebracht. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Werkstücke in Schubladenelemente eingebracht, die auf den einzelnen Ofenebenen angeordnet sind. Dabei wird ein Schubladenelement auf der Entnahmehöhe h_x horizontal herausgefahren, ein Werkstück entnommen und das Schubladenelement anschließend wieder zurückgefahren.
Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, umfassend einen Ofen mit mehreren horizontalen Ofenebenen (E₁ ... E_n), die vertikal übereinander angeordnet und in denen Werkstücke erwärmbar sind. Jede Ofenebene (E₁ ... E_n) befindet sich jeweils in einer Höhe (h₁ ... h_n) und ist zur Aufnahme und Entnahme wenigstens eines Werkstückes ausgebildet. Die Vorrichtung weist Verstellmittel zur schrittweisen vertikalen Bewegung der Ofenebenen (E₁ ... E_n) auf, die so ausgebildet sind, dass sie die jeweiligen Höhen (h₁ ... h_n) der einzelnen Ofenebenen (E₁ ... E_n) verändern können. Dabei können die Verstellmittel die Ofenebenen (E₁ ... E_n) so schrittweise vertikal bewegen, dass die Höhe (h₁ ... h_n) einer jeweiligen Ofenebene (E₁ ... E_n) einer fest definierten Entnahmehöhe (h_x) entspricht und dass die jeweilige Ofenebene (E₁ ... E_n) für eine Zeitdauer t > 0 auf der Entnahmehöhe h_x gehalten werden kann.
Dabei ist die Lage der Ofenebenen (E₁ ... E_n) in Bezug zum Ofen fixiert, und die Verstellmittel sind so ausgebildet, dass sie den Ofen schrittweise vertikal bewegen können. Eine Ausführungsform umfasst ein Hubsystem als Verstellmittel, eine andere Ausführungsform hingegen ein Zugsystem.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Transfervorrichtung zur Entnahme von erwärmten Werkstücken aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) auf der Entnahmehöhe h_x, Diese Transfervorrichtung ist ferner zur Beschickung der Ofenebenen mit zu erwärmenden Werkstücken ausgebildet. Dabei weist die Transfervorrichtung Mittel auf, um die erwärmten Werkstücke auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufzunehmen und sie wenigstens teilweise horizontal abzutransportieren. Beispielsweise kann die Transfervorrichtung Mittel aufweisen, um Werkstücke horizontal auf der definierten Entnahmehöhe h_x abzutransportieren.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Transfervorrichtung nach der Entnahme eines erwärmten Werkstücks aus einer der Ofenebenen (E₁ ... E_n) ein neues zu erwärmendes Werkstück in dieselbe Ofenebene (E₁ ... E_n) einbringen. In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung umfassen die Ofenebenen (E₁ ... E_n) Schubladenelemente, die zur Aufnahme von Werkstücken vorgesehen und auf der Entnahmehöhe h_x horizontal verfahrbar sind.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken haben den Vorteil, dass Werkstücke in einem Ofen mit einem reduzierten Platzbedarf erwärmt und nach dem Erwärmen stets auf gleicher Höhe aus dem Ofen entnommen werden können. Dazu umfasst der Ofen mehrere Ofenebenen (E₁ ... E_n), die gezielt in ihrer Höhe (h₁ ... h_n) verändert und so an eine fest definierte Entnahmehöhe h_x angepasst werden können. Die jeweilige Höhe (h₁ ... h_n) der Ofenebenen (E₁ ... E_n) wird dabei so verändert, dass sie jeweils der Entnahmehöhe h_x entspricht, so dass Werkstücke aus den Ofenebenen stets auf der Entnahmehöhe h_x entnommen und vorzugsweise auch beschickt werden können. Die hierfür erforderliche schrittweise vertikale Bewegung der Ofenebenen (E₁ ... E_n) wird dabei durch die Verwendung von Verstellmitteln ermöglicht.
Die Erfindung wendet sich somit ab von Durchlauföfen, bei denen die Werkstücke zum Erwärmen nacheinander durch einen Ofen bewegt werden. Sie wendet sich ferner ab von höhenverstellbaren Entnahmevorrichtungen, die bei Etagenöfen zur Entnahme der erwärmten Werkstücke Verwendung finden.
Ein Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Verhinderung von Schwankungen in der Qualität bei der Herstellung von Karosseriebauteilen liegt in der stets gleichen Zeit für den Transfer von Werkstücken vom Ofen zur weiteren Formgebung. Ein Durchlaufofen bietet zwar ebenfalls diese Möglichkeit, weist jedoch eine entsprechende Längenausdehnung und einen damit verbundenen hohen Platzbedarf auf.
Der Grund hierfür ist der Aufbau eines Durchlaufofens. Bei diesem Ofenprinzip werden die zu erwärmenden Werkstücke nacheinander auf Werkstückträgern über Fördereinrichtungen horizontal auf einer Ofenebene durch den Ofen transportiert. Neben weiteren Parametern bestimmen dabei sowohl die Erwärmungsdauer als auch die Anzahl der zu erwärmenden Teile die erforderliche Länge des Durchlaufofens. Je länger es dauert, bis die Werkstücke die erforderliche Erwärmungstemperatur erreicht haben und je mehr Werkstücke erwärmt werden sollen, umso größer wird die Längenausdehnung des Durchlaufofens.
Diese große Längenausdehnung des Durchlaufofens wäre durch den Einsatz eines Etagenofens kompensierbar. Da bei diesem Ofenprinzip die einzelnen Ofenebenen vertikal übereinander liegen, befindet sich jedes Werkstück zum Erwärmen in einer anderen Höhe, die zur Entnahme der erwärmten Werkstücke von einer Entnahmevorrichtung angefahren werden muss. Aus den verschiedenen Höhen der Ofenebenen resultiert für jede Ofenebene ein anderer Transferweg vom Ofen zur weiteren Formgebung. Je länger der Transferweg ist, umso länger dauert es allerdings, bis das erwärmte Werkstück die weitere Formgebung erreicht und umso größer ist der Temperaturverlust des erwärmten Werkstückes. Große Temperaturverluste können zu großen Schwankungen in der Qualität der Karosseriebeuteile bis hin zu einem Ausfall der Teile führen.
Die Erfindung löst dieses Problem vorteilhaft durch eine Höhenverstellung der Ofenebenen an eine fest definierte Entnahmehöhe h_x. Jede Ofenebene wird für eine Entnahme des erwärmten Werkstückes in diese Entnahmehöhe h_x bewegt und dort für eine Zeitdauer t > 0 gehalten, so dass der Transferweg vom Ofen zur weiteren Formgebung für jedes entnommene Werkstück gleich ist. Daraus resultiert für jedes entnommene Werkstück ein vergleichbarer Temperaturvsrlust, der reduzierte Schwankungen in der Qualität der Karosseriebauteile zur Folge hat.
Die zuvor genannten und weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden auch anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden.
Von den Figuren zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines höhenverstellbaren Ofens mit mehreren Ofenebenen zum Erwärmen von Werkstücken;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Kugelgewindetriebes;
Fig. 3a: ein schematisches Ablaufdiagramm, welches den Ablauf bei der Bestückung eines Ofens wiedergibt;
Fig. 3b: ein schematisches Ablaufdiagramm, welches den Ablauf bei der wiederholten Bestückung und Entnahme von Werkstücken wiedergibt;
Fig. 3c: ein schematisches Ablaufdiagramm, weiches den Ablauf bei Beendigung der Erwärmung von Werkstücken wiedergibt;
Fig. 4: eine schematische Darstellung verschiedener Bestandteile einer Anlage zum Presshärten von Werkstücken; und
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer Anlage zum Presshärten von Werkstücken mit zwei Öfen.

In Fig. 1 ist schematisch das Beispiel eines höhenverstellbaren Ofens 101 zum Erwärmen von Werkstücken dargestellt, der typischerwelse ein Gehäuse mit einer Öffnung für die Bestückung und die Entnahme der zu erwärmenden Werkstücke umfasst. Der Ofen umfasst zudem eine beliebige Anzahl n von horizontalen Ofenebenen (E₁ ... E_n), auf denen jeweils wenigstens ein Werkstück erwärmt werden kann. Die Ofenebenen (E₁ ... E_n) sind voneinander getrennt und liegen vertikal übereinander. Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel zeigt sieben Ofenebenen.
Jede der Ofenebenen (E₁ ... E_n) enthält wenigstens eine Aufnahme zur Lagerung der Werkstücke während des Erwärmens. Die Gestaltung der Aufnahmen ist variabel und hängt unter anderem beispielsweise ab von der Form der zu erwärmenden Werkstücke. Die Werkstücke befinden sich während des Erwärmens in den Aufnahmen und werden nach dem Erwärmen von dort wieder entnommen. Bei den Aufnahmen handelt es sich beispielsweise um Schubladen 102, die über eine horizontale Bewegung 103 aus- und eingefahren werden können. In Fig. 1 ist das Beispiel einer ausgefahrenen Schublade 104 gezeigt, in der sich ein Werkstück 105 befindet. Für ein Erwärmen wird die Schublade mit einem Werkstück 105 bestückt, zum Erwärmen des Werkstückes 105 eingefahren und anschließend wieder ausgefahren.
Da die Werkstücke nicht horizontal nebeneinander sondern vertikal übereinander erwärmt werden, kann mit einem derartigen Ofenprinzip die Größe der Grundfläche des Ofens 101 minimiert werden. Dies führt zu einer Verringerung des erforderlichen Platzbedarfs für den Ofen 101. Des weiteren kann mit diesem Ofenprinzip die Größe der Oberfläche des Ofens 101 minimiert werden, was wiederum zu einer Reduzierung des Energieverbrauches durch reduzierte Oberflächenverluste führt.
Der Ofen 101 weist ferner ein Hubsystem auf, mit dem die Ofenebenen (E_1... E_n) durch eine Auf- und Abwärtsbewegung bewegt werden können. Bei dem in Fig. 1 beispielhaft dargestellten höhenverstellbaren Ofen 101 ist das Hubsystem an der Bodenaußenseite des Ofens 101 angebracht, so dass die Bewegung der Ofenebenen (E₁ ... E_n) durch eine Bewegung des gesamten Ofens 101 umgesetzt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Hubsystem den im Ofen vorherrschenden hohen Temperaturen T von bis zu 1000 °C nicht ausgesetzt ist und somit keine für diese Temperaturen erforderliche Temperaturbeständigkeit aufweisen muss. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gehäuse des Ofens 101 nur die Ofenebenen (E₁ ... E_n) mit allem erforderlichen Zubehör zum Erwärmen von Werkstücken 105 umschließen muss. Dadurch ist es nicht erforderlich, zusätzliches Volumen innerhalb des Ofens 101 zu erwärmen, was unter anderem zu einer Optimierung des Energiebedarfs des Ofens 101 führt.
Bei dem Hubsystem handelt es sich beispielsweise um Verstellmittel 106, welche die Höhe des Ofens 101 über eine vertikale Bewegung 107 beeinflussen können. In Fig. 2 wird als Beispiel für ein Verstellmittel 106 ein Kugelgewindetrieb gezeigt. Kugelgewindetriebe sind Schraubgetriebe zur Umwandlung einer rotatorischen Bewegung 201 in eine translatorische Bewegung 202. Ein Bestandteil des Kugelgewindetriebes ist eine Kugelgewindespindel 203, die von einem Motor 204 angetrieben wird und die rotatorische Bewegung 201 ausführt. Die Kugelgewindespindel 203 besteht aus einer Kugelgewindestange 205 in Form eines zylindrischen Rundstabes, auf dem ein Kugelgewinde 206 aufgebracht ist. Auf der Kugelgewindespindel 203 befindet sich eine nicht drehbar gelagerte Spindelmutter 207, welche die translatorische Bewegung 202 ausführt. Kugeln 208 durchlaufen einen Kugelumlauf 209 zur Kugelrückführung innerhalb der Spindelmutter 207.
Mittels eines Kugelgewindetriebes können sehr große Kräfte aufgebracht werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf das hohe Gewicht des Ofens 101, das bei einer Höhenverstellung bewegt werden muss, von Vorteil. Zudem ist die Verwendung eines Kugelgewindetriebes aufgrund seines hohen mechanischen Wirkungsgrades von >90% besonders vorteilhaft für die erforderlichen Taktzeiten von der Bestückung bis zur Entnahme der Werkstücke, die im Bereich von etwa 10 Sekunden liegen. Weitere Vorteile des Kugeigewindetriebes liegen insbesondere in einem geringen Verschleiß und einer damit verbundenen hohen Lebensdauer des Getriebes, in einer hohen Positionier- und Wiederholgenauigkeit sowie in hohen Verfahrgeschwindigkeiten, die umgesetzt werden können.
In einer Ausführungsform wird die Spindelmutter 207 von einem Motor 204 angetrieben und somit gegenüber der Kugelgewindespindel 203 bewegt. Dadurch führt die Spindelmutter 207 die rotatorische Bewegung 201 aus, die nicht drehbar gelagerte Kugelgewindespindel 203 hingegen die translatorische Bewegung 202. In einer anderen Ausführungsform kommt anstelle des Kugelgewindetriebes ein Rollengewindetrieb zum Einsatz, bei dem anstelle der Kugeln 208 Rollen verwendet werden, es sind jedoch auch andere Verstellmittel 106 einsetzbar.
Alternativ können als Zugmittel jegliche andere geeignete Einrichtungen eingesetzt werden. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet zur Höhenverstellung des Ofens 101 beispielsweise Flaschenzüge oder Kettenzüge mit Hubketten. Insbesondere an Standorten mit bereits vorhandenen Installationen für Zugmittel können sich entsprechende Kosteneinsparungen ergeben. Zur Reduzierung der Antriebsleistung und damit des Energiebedarfes bei Zugmitteln können beispielsweise Gegengewichte verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform kommen Schubketten zur Höhenverstellung des Ofens 101 zur Anwendung. Schubketten sind Spezialketten, die sich im Gegensatz zu den bekannten Zugketten in Schubrichtung versteifen, die aber dabei über Kettenräder umlenkbar bleiben. Ermöglicht wird die Schubfähigkeit durch speziell geformte Kettenglieder, die formschlüssig ineinander greifen und sich spielarm abstützen. Durch die Geometrie der Kettenlaschen wird ein Einknicken bei Druckbelastung durch das Gewicht des Ofens 101 verhindert. Schubketten arbeiten somit wie ein herkömmlicher Linearantrieb als starre Teleskoptriebstangen. Sie sind aber äußerst flexibel, wenn es um die Speicherung geht. Die Ketten lassen sich dorthin umlenken, wo Platz ist, und sie lassen sich aufwickeln, um Platz zu sparen. Vorteile von Schubketten sind insbesondere die Umsetzung von gleichmäßigen ruckfreien Bewegungen der Ofenebenen (E₁ ... E_n) bei der Höhenverstellung, das Halten einer absoluten Position zur Entnahme der Werkstücke 105 sowie eine kompakte Speicherungsmöglichkeit der Schubketten.
Den schematischen Ablauf eines Prozesses zum Erwärmen von Werkstücken in einem höhenverstellbaren Ofen zeigen die Figuren 3a-3c an einem Beispiel. Dabei gibt Fig. 3a die Schritte bei der Bestückung des Ofens bis zu einem Prozesspunkt 1 wieder. Vor Beginn des Prozesses wird der Ofen 101 auf eine definierte Temperatur T erwärmt, die beim Presshärten üblicherweise bei 800°C bis 1000°C liegt. Nach dem Erreichen der definierten Temperatur T verändert ein Hubsystem die Höhe des Ofens 101, bis die Höhe h₁ der Ofenebene E₁ einer fest definierten Höhe h_x entspricht, in der die Ofenebene E₁ dann für eine Zeitdauer t > 0 verbleibt.
Eine Höhe h bezeichnet dabei den Abstand eines Objektpunktes von einer Referenzlinie oder Referenzfläche. Der Abstand zwischen Objektpunkt und Referenzlinie wird vorzugsweise ermittelt durch den direkten Vergleich des zu bestimmenden Abstandes mit einem Maßstab. Als Referenzlinie kann hierbei beispielsweise die Bodenfläche dienen, auf welcher der Ofen aufgestellt ist, so dass die Höhe h_x einem bestimmten Abstand zum Boden entspricht. Die veränderlichen Höhen der Ofenebenen werden dieser Höhe h_x durch eine vertikale Bewegung des Ofens angepasst.
Nach erfolgter Höhenverstellung des Ofens 101 wird die Schublade 102 der Ofenebene E₁ ausgefahren, mit einem zu erwärmenden Werkstück 105 bestückt und anschließend wieder eingefahren. Es folgt eine erneute Veränderung der Höhe des Ofens 101 durch das Hubsystem, so dass danach die Höhe h₂ der Ofenebene E₂ der Höhe h_x entspricht, in der dann die Ofenebene E₂ für eine Zeitdauer t > 0 verbleibt. Nach abgeschlossener Höhenverstellung des Ofens 101 wird die Schublade 102 der Ofenebene E₂ ausgefahren, mit einem zu erwärmenden Werkstück 105 bestückt und anschließend wieder eingefahren. Dieser Vorgang wiederholt sich schrittweise so lange, bis die Schubladen 102 aller Ofenebenen (E₁ ... E_n) bestückt sind, indem die Ofenebenen jeweils auf die definierte Höhe h_x verfahren werden.
Die derart in den höhenverstellbaren Ofen 101 eingebrachten Werkstücke 105 werden im Ofen innerhalb einer definierten Verweilzeit auf eine definierte Temperatur T erwärmt, die beispielhaft für einige Karosseriestähle 860-980°C beträgt. Hat zumindest das zuerst zu entnehmende Werkstück die erforderliche Temperatur erreicht, ist der in Fig. 3a dargestellte Prozesspunkt 1 erreicht.
Ist die Erwärmung der Werkstücke 105 am Prozesspunkt 1 abgeschlossen, folgt, wie in Fig. 3b wiedergegeben, eine wiederholte Veränderung der Höhe des Ofens 101 durch das Hubsystem, bis die Höhe h₁ der Ofenebene E₁ erneut der Höhe h_x entspricht, in der die Ofenebene E₁ dann wieder für eine Zeitdauer t > 0 verbleibt. Die Schublade 102 der Ofenebene E₁ wird ausgefahren und das erwärmte Werkstück 105 daraus entnommen. Falls der gesamte Prozess noch nicht beendet ist, wird die Schublade 102 erneut mit einem zu erwärmenden Werkstück 105 bestückt und anschließend wieder eingefahren. Es folgt eine weitere Veränderung der Höhe des Ofens 101, so dass danach die Höhe h₂ der Ofenebene E₂ der Höhe h_x entspricht, in der dann wieder die Ofenebene E₂ für eine Zeitdauer t > 0 verbleibt. Die Schublade 102 der Ofenebene E₂ wird ausgefahren, das erwärmte Werkstück 105 daraus entnommen, die Schublade 102 mit einem zu erwärmenden Werkstück 105 bestückt und anschließend wieder eingefahren. Dieser Vorgang wiederholt sich schrittweise so lange, bis die Schubladen 102 aller Ofenebene (E₁ ... E_n) erneut mit zu erwärmenden Werkstücken 105 bestückt sind, die anschließend innerhalb der definierten Verweilzeit auf die definierte Temperatur T erwärmt werden.
Der Prozess des sich wiederholenden Erwärmens von Werkstücken 105 in einem höhenverstellbaren Ofen 101 wird beendet, wenn der in Fig. 3b dargestellte Prozesspunkt 2 erreicht ist und nach einer erfolgten Entnahme keine weiteren Werkstücke 105 zum Erwärmen in die Ofenebenen E_n eingebracht werden. Danach kann der Ofen 101 beispielsweise abgekühlt werden. Die Schritte bei der letztmaligen Entnahme von erwärmten Werkstücken aus den einzelnen Ofenebenen sind in Fig. 3c dargestellt.
Innerhalb des Prozesses zum Erwärmen von Werkstücken 105 besteht in einer Weiterbildung die Möglichkeit, die Ofenebenen (E₁ ... E_n) in beliebiger und auch variierender Reihenfolge mit Werkstücken 105 zu bestücken und/oder Werkstücke 105 zu entnehmen. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Werkstücke 105, beispielsweise Werkstücke 105 mit unterschiedlicher Dicke, mit verschiedenen Verweilzeiten im Ofen innerhalb eines Prozesses behandelt werden können, was durch eine entsprechende Ansteuerung des Ofens realisiert wird.
In einer Ausführungsform ist es ferner möglich, alle Ofenebenen (E₁ ... E_n) mit Werkstücken 105 zu bestücken, die Werkstücke nach dem Erwärmen aus den Ofenebenen (E₁ bis E_n) zu entnehmen und erst dann, wenn alle Werkstücke aus den Ofenebenen (E₁ bis E_n) entnommen wurden, die Ofenebenen (E₁ bis E_n) wieder neu zu bestücken. In einer weiteren Ausführungsform werden nicht alle Ofenebenen (E₁ bis E_n) zum Erwärmen von Werkstücken 105 verwendet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn nur wenige Teile erwärmt werden sollen. Weiterhin ist es möglich, Werkstücke insbesondere bei Störfällen auch dann aus den Ofenebenen (E₁ bis E_n) zu entnehmen, wenn sich die Ofenebenen (E₁ bis E_n) nicht in der Höhe h_x befinden. Diese unterschiedlichen Ausführungsformen können in einer Steuerung der gesamten Anordnung realisiert werden, die frei programmierbar ist.
Bei den zu erwärmenden Werkstücken 105 handelt es sich insbesondere um Blechformteile aus Karosseriestahl für pressgehärtete Karosseriebauteile im Automobilbau. Es können jedoch auch anders oder nicht geformte Werkstücke aus anderen Materialien erwärmt werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, Werkstücke 105 mit partiell unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen, die insbesondere für die genannten Karosseriebauteile im Automobilbau von Vorteil sind. Hierzu wird eine Schublade 102 einige Zeit vor der eigentlichen Entnahme des Werkstückes 105 teilweise herausgefahren, sodass das Werkstück 105 partiell auf eine Temperatur unterhalb der Austenit- bzw. Härtetemperatur abkühlt und bei einem nachfolgenden Presshärten im bereits abgekühlten Teil keinen sehr harten Martensit, sondern ein Perlit-Ferrit-Gefüge bildet. Dieses Gefüge besitzt deutlich höhere Dehnraten und ist im Falle eines Fahrzeugcrashs weniger bruchempfindlich.
In dem in Fig. 4 schematisch dargestellten Beispiel ist der höhenverstellbare Ofen 101 Bestandteil einer Anlage zum Presshärten von Werkstücken. Ein Werkstück 105 wird nach dem Erwärmen aus der ausgefahrenen Schublade 104 einer Ofenebene E₁ des Ofens 101 in einer Höhe h_i = h_x entnommen. Die Entnahme erfolgt beispielsweise durch eine Transfervorrichtung 401, die mit mindestens einem Greifer 402 zum Aufnehmen und Ablegen von Werkstücken ausgestattet ist. Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Transfervorrichtung 402 mit vier Greifern. Nach der Entnahme des erwärmten Werkstückes 105 führt die Transfervorrichtung 402 eine Bewegung 403 vom Ofen 101 zu einem Presswerkzeug 404 aus und übergibt das Werkstück an das Presswerkzeug 404.
Das Pressverfahren kann mit Verfahren und Presswerkzeugen durchgeführt werden, die dem Fachmann allgemein bekannt sind. Im Presswerkzeug 404 wird das Werkstück 105 von der Transfervorrichtung 402 abgelegt, und die Transfervorrichtung 402 kehrt anschließend vom Presswerkzeug 404 zum Ofen 101 zurück.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Transfervorrichtung 401 sowohl zur Entnahme eines Werkstückes 105 aus einer Ofenebene und zum Weitertransport zu einem Presswerkzeug 404 als auch zum Bestücken einer Ofenebene ausgebildet ist. Hierzu nimmt die Transfervorrichtung 401 auf dem Weg vom Presswerkzeug 404 zum Ofen 101 ein zu erwärmendes Werkstück auf, transportiert es zum Ofen 101 und legt es in einer der Ofenebenen ab.
Die Höhe des Presswerkzeuges 404, bezogen auf den Boden seines Standortes, wird beispielsweise ebenfalls durch die Höhe h_x dargestellt, die fest definiert und nicht veränderbar ist. Sowohl für die Entnahme eines erwärmten Werkstückes 105 aus einer Ofenebene E_I als auch für die Bestückung einer Ofenebene E_I mit einem zu erwärmenden Werkstück 105 wird die Höhe h_i der Ofenebene E_I an die Höhe h_x des Presswerkzeuges 404 angepasst. Die Höhe h_x des Presswerkzeuges 404 ist somit die bestimmende Höhe für die Entnahme und das Bestücken der Ofenebenen (E₁ ... E_n). Dies hat den Vorteil, dass die Zeitdauer t von der Entnahme eines erwärmten Werkstückes 105 aus einer Ofenebene E_i bis zum Ablegen im Presswerkzeug 404 für alle Ofenebenen (E₁ ... E_n) vergleichbar und möglichst gering ist. Der daraus resultierende Temperaturverlust ist somit ebenfalls vergleichbar, was wiederum zu einer Minimierung von Schwankungen in der Qualität der Karosseriebauteile führt.
Fig. 5 zeigt beispielhaft die Anordnung von zwei Öfen 101 und 101' und einem Presswerkzeug 404. Der Ofen 101 und ein vergleichbarer Ofens 101' stehen sich in diesem Beispiel so gegenüber, dass sich die zugehörigen Schubladen 102 beim Ausfahren jeweils in die Achse des Presswerkzeuges 404 bewegen. Während des Prozesses wird in dieser Anordnung ein Werkstück 105 nach dem Erwärmen aus der ausgefahrenen Schublade 104 des Ofens 101' entnommen und an das Presswerkzeug 404 übergeben. Die ausgefahrene Schublade 104 des Ofens 101' wird anschließend neu bestückt und wieder eingefahren. Danach kann die Schublade 102 des Ofens 101 zur Entnahme des erwärmten Werkstückes 105 ausgefahren und nach der Entnahme und Übergabe des erwärmten Werkstückes an das Presswerkzeug 404 neu bestückt und wieder eingefahren werden. Der Prozess des wechselseitigen Ausfahrens der Schubladen 102 der Öfen 101 und 101' ist dabei beliebig oft wiederholbar.
Mit dieser Anordnung der beiden Öfen 101 und101' wird erreicht, dass sich bei gleicher Anzahl der Ofenebenen in den Öfen 101 und 101' die Taktzeit des Prozesses halbiert und die Ausbringung an erwärmten Werkstücken 105 verdoppelt. Falls der vorgesehene Installationsraum für die Öfen eingeschränkte Höhenverhältnisse aufweist, ist es auch möglich, die Höhe der beiden Öfen 101 und 101' bei gleichbleibender Taktzeit zu halbieren und so die Ausbringung an Werkstücken 105 aus dem Prozess konstant zu halten.
Bezugszeichenliste:

101: Höhenverstellbarer Ofen
102: Schublade
103: Horizontale Bewegung
104: Ausgefahrene Schublade
105: Werkstück
106: Verstellmittel
107: Vertikale Bewegung

201: Rotatorische Bewegung
202: Translatorische Bewegung
203: Kugelgewindespindel
204: Motor
205: Kugelgewindestange
206: Kugelgewinde
207: Spindelmutter
208: Kugel
209: Kugelumlauf

401: Transfervorrichtung
402: Greifer
403: Horizontale Bewegung
404: Preßwerkzeug

Claims

Verfahren zum Behandeln von Werkstücken, bei dem die Werkstücke in einem Ofen in mehreren horizontalen Ofenebenen (E₁ ... E_n) erwärmt werden, wobei die Ofenebenen (E₁ ... E_n) vertikal übereinander angeordnet sind und sich jede Ofenebene (E₁ ... E_n) jeweils in einer Höhe (h₁ ... h_n) befindet, und wobei jede Ofenebene (E₁ ... E_n) zur Aufnahme wenigstens eines Werkstücks ausgebildet ist und die Werkstücke nach der Erwärmung in einer definierten Reihenfolge aus den Ofenebenen (E₁ bis E_n) entnommen werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Entnahme der erwärmten Werkstücke die Ofenebenen (E₁ ... E_n) schrittweise vertikal bewegt werden, so dass sich die jeweiligen Höhen (h₁ ... h_n) der einzelnen Ofenebenen (E₁ ... E_n) verändern, wobei die Ofenebenen (E₁ ... E_n) so schrittweise vertikal bewegt werden, dass die Höhe (h₁ ... h_n) der jeweiligen Ofenebene (E₁ ... E_n), aus welcher wenigstens ein Werkstück entnommen wird, einer fest definierten Entnahmehöhe h_x entspricht und sich die jeweilige Ofenebene (E₁ ... E_n) für eine Zeitdauer t > 0 auf der Entnahmehöhe h_x befindet, wobei die Lage der Ofenebenen (E₁ ... E_n) in Bezug zum Ofen fixiert ist und der Ofen für die Entnahme der erwärmten Werkstücke aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) durch Verstellmittel schrittweise vertikal bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Verstellmittel ein Hubsystem oder ein Zugsystem eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Werkstücke mittels einer Transfervorrichtung auf der Entnahmehöhe h_x aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) entnommen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Transfervorrichtung die Werkstücke bei der Entnahme auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufnimmt und wenigstens teilweise horizontal abtransportiert.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Transfervorrichtung die Werkstücke bei der Entnahme auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufnimmt und horizontal auf der definierten Entnahmehöhe h_x abtransportiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach der Entnahme eines erwärmten Werkstücks aus einer der Ofenebenen (E₁ ... E_n) ein neues zu erwärmendes Werkstück in dieselbe Ofenebene (E₁ ... E_n) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Werkstücke zur Erwärmung in den Ofenebenen (E₁ ... E_n) in Schubladenelemente eingebracht werden, und ein Schubladenelement auf der Entnahmehöhe h_x horizontal herausgefahren und ein Werkstück aus dem Schubladenelement entnommen wird, und das Schubladenelement anschließend wieder zurückgefahren wird.
Vorrichtung zum Behandeln von Werkstücken, umfassend einen Ofen mit mehreren horizontalen Ofenebenen (E₁ ... E_n), in denen Werkstücke erwärmbar sind, wobei die Ofenebenen (E₁ ... E_n) vertikal übereinander angeordnet sind und sich jede Ofenebene (E₁ ... E_n) jeweils in einer Höhe (h₁ ... h_n) befindet, und wobei jede Ofenebene (E₁ ... E_n) zur Aufnahme und Entnahme wenigstens eines Werkstücks ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung Verstellmittel zur schrittweisen vertikalen Bewegung der Ofenebenen (E₁ ... E_n) aufweist, wobei diese Verstellmittel so ausgebildet sind, dass sie die jeweiligen Höhen (h₁ ... h_n) der einzelnen Ofenebenen (E₁ ... E_n) verändern können und sie die Ofenebenen (E₁ ... E_n) so schrittweise vertikal bewegen können, dass die Höhe (h₁ ... h_n) einer jeweiligen Ofenebene (E₁ ... E_n) einer fest definierten Entnahmehöhe (h_x) entspricht und die jeweilige Ofenebene (E₁ ... E_n) für eine Zeitdauer t > 0 auf der Entnahmehöhe h_x gehalten werden kann, wobei die Lage der Ofenebenen (E₁ ... E_n) in Bezug zum Ofen fixiert ist und die Verstellmittel so ausgebildet sind, dass sie den Ofen schrittweise vertikal bewegen können.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Verstellmittel als Hubsystem oder als Zugsystem ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, umfassend eine Transfervorrichtung, die zur Entnahme der Werkstücke aus den Ofenebenen (E₁ ... E_n) auf der Entnahmehöhe h_x ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Transfervorrichtung so ausgebildet ist, dass sie Werkstücke auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufnehmen und wenigstens teilweise horizontal abtransportieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Transfervorrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Werkstücke auf der definierten Entnahmehöhe h_x aufnehmen und horizontal auf der definierten Entnahmehöhe h_x abtransportieren kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Transfervorrichtung so ausgebildet ist, dass sie nach der Entnahme eines erwärmten Werkstücks aus einer der Ofenebenen (E₁ ... E_n) ein neues zu erwärmendes Werkstück in dieselbe Ofenebene (E₁ ... E_n) einbringen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der in den Ofenebenen (E₁ ... E_n) Schubladenelemente zur Aufnahme von Werkstücken vorgesehen sind, wobei ein Schubladenelement auf der Entnahmehöhe h_x horizontal verfahrbar ist.