EP3956483A1 - Fixtur zum abschrecken und härten eines werkstücks mit gezielt ansteuerbaren kanälen zum zuführen von abschreckmedium - Google Patents

Fixtur zum abschrecken und härten eines werkstücks mit gezielt ansteuerbaren kanälen zum zuführen von abschreckmedium

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EP3956483A1
EP3956483A1 EP20724036.7A EP20724036A EP3956483A1 EP 3956483 A1 EP3956483 A1 EP 3956483A1 EP 20724036 A EP20724036 A EP 20724036A EP 3956483 A1 EP3956483 A1 EP 3956483A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
channels
fixture
quenching
receptacle
Prior art date
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Application number
EP20724036.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3956483B1 (de
EP3956483C0 (de
Inventor
Hans FLACH
Sven Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heess & Co KG GmbH
Aerospace Transmission Technologies GmbH
Original Assignee
Heess & Co KG GmbH
Aerospace Transmission Technologies GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
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Publication of EP3956483C0 publication Critical patent/EP3956483C0/de
Active legal-status Critical Current
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like

Definitions

  • the invention relates to a fixture and a method for quenching workpieces as part of a hardening process.
  • the fixture has a receptacle and a mandrel which engages centrally in an annular workpiece.
  • Generic fixtures can also have hold-downs to fix the workpiece so that it does not warp during cooling, or, if it has already warped during heating, to get it back into shape
  • Gases and liquids can be used as quenching media, with liquids at least at the beginning of the quenching process due to the high temperatures on the workpiece
  • a flow rate of circulating cooling medium can be set for the entire fixture within certain limits according to a required setpoint.
  • At least one workpiece to be thermally treated rests, the
  • Support device support positions in only one
  • Hold down hold-down ends directed towards the support positions the hold-down tools each being arranged individually so as to be vertically movable and with pressure
  • Support positions a free space is defined, which is completely in operation during a hardening and / or cooling process
  • each hold-down end rests either on a support position or on a workpiece to be thermally treated.
  • EP 2 700 725 A2 discloses a method for hardening an individual, ring-shaped workpiece and a method for this purpose
  • one or more hold-down devices is or are supplied from a side facing the first end face in the direction of the support until the
  • Quenchants can be added to the workpiece separately.
  • At least one temperature sensor for detecting the temperature on the workpiece is arranged inside the fixture, the
  • Temperature sensor is connected to a control and / or regulating device for adjusting the supply of quenching agent based on the temperature on the workpiece. The amount of
  • gaseous and liquid quenching agent can be regulated globally for the entire fixture or the entire workpiece.
  • the workpieces are radially loaded from the inside during quenching and axially pressed together by hold-down devices.
  • the amount of quenching agent is set so high that even cooling takes place.
  • the inside-out distribution of quenching agent can be adjusted to an optimal rate for each workpiece.
  • An object on which the invention is based is seen in improving the controllability of the quenching process.
  • Workpieces having a closable receptacle for a workpiece and a plurality of fluid-conducting channels for
  • Places on the workpiece can be reduced with increased need.
  • a distribution of volume flows around the workpiece can be adjusted to a uniform cooling rate. On the one hand, this can cause uneven cooling
  • the receptacle can have a base, side walls, a cover and a mandrel penetrating the workpiece in the center.
  • the fluid-conducting channels open into the receptacle and, if possible, are aligned in such a way that the quenching medium emerging from them is directed towards the workpiece.
  • the channels are essentially round bores arranged in a circle next to one another. Liquids and gases can be used as quenching media.
  • ring-shaped groups of channels are provided for an annular workpiece with a radially outer side, a radially inner inner side, an axially above upper side and an axially lower underside, a first group being arranged in the receptacle in such a way that that the channels assigned to it flow onto the outside from an axial direction from the outside, a second group is arranged so that the channels assigned to it flow the outside flat from the bottom to the top
  • a third group is arranged so that the channels assigned to it flow against the underside
  • a fourth group is arranged so that the channels assigned to it the
  • a fifth group is arranged so that the channels assigned to it flow radially outward on the inside and a sixth group is arranged so that the channels assigned to it flow onto the top.
  • the volume flow is regulated by means of valves, which are pressurized with the channels on the outlet side and at least one with a quenching medium on the inlet side
  • Supply chamber are fluidly connected.
  • the groups of channels can be controlled via a valve each or each channel in a group can be controlled via its own valve.
  • the valves are proportional valves, which are variable depending on an input signal
  • a volume flow flowing into the ducts can be continuously adjusted to precisely meet the existing requirements.
  • volume flow sensors are provided in the channels, in particular close to the workpiece, which are designed to detect a volume flow directed to the channels and to generate a signal.
  • temperature sensors are arranged in the fixture, in particular close to the workpiece, which are designed to detect a temperature emitted by the workpiece and to generate a signal.
  • the temperature sensors can be arranged in such a way that a temperature radiated by the workpiece is arranged close to a channel that illuminates the workpiece.
  • illuminating means the directional exposure to
  • Quenching medium are Temperature sensors preferably in the fixture or the receptacle in such a way that a hot position detected by them on the
  • Quenching medium can flow directly against the workpiece.
  • empirically determined data are determined individually for each workpiece and that
  • Using a monitoring system in the form of temperature sensors it is possible to immediately recognize locally higher demands for quenching medium and to increase the volume flow there accordingly so that a targeted cooling rate can be maintained.
  • sound sensors are arranged in the fixture, in particular close to the workpiece.
  • the sound sensors provide the control unit with additional data that provide information about the cooling behavior.
  • a direct feedback in the form of sound waves from the workpiece is per se, especially in the event of (undesirable) crack formation and cracks on the workpiece surface due to excessive surface and
  • the volume flow sensors are integrated into the valves.
  • valves are provided with bores in an upper valve plate and a lower valve plate, which is arranged displaceably with respect to the upper valve plate to bring the lower valve plate into overlap with holes in the upper valve plate.
  • valve plates can in particular be rotated relative to one another in order, with increasing rotation, to release different channels or groups of channels or to provide a fluid-conducting connection from supply chambers to the groups of channels.
  • a control device is implemented with a digital model of the fixture, which is used in the
  • Control device is used to anticipate a temperature distribution close to the workpiece and correction values for regulating the volume flows in the respective groups of
  • Valve plates are controlled so that a desired
  • a digital model of the workpiece is implemented in a control device, which in the control device anticipates a flow distribution and a resulting temperature distribution on the workpiece based on a position and a direction of the channels and outputs correction values for regulating the volume flows in the respective channels .
  • Transformation, heat transfer and diffusion processes in a digital model can be a reaction of the workpiece to a
  • Shifting a control setpoint of the fixture or, more precisely, computer-implemented, can be predicted and the valves or valve plates are controlled accordingly in such a way that a desired cooling rate is achieved.
  • the precision of a control setpoint of the fixture or, more precisely, computer-implemented can be predicted and the valves or valve plates are controlled accordingly in such a way that a desired cooling rate is achieved.
  • the fixture can be adapted for different workpieces by simply implementing a digital model corresponding to the workpiece to be quenched. The fixture or the control device then automatically takes over the ideal process control.
  • Control unit for regulating a fixture can be stored in order to cool a workpiece that can be inserted into a receptacle, having: i. Means for detecting a locally increased or decreased need for a cooling rate on a workpiece placed in a receptacle of the fixture, ii. Means for creating a control setpoint for control organs for controlling a volume flow in the fixture, iii. Means for regulating the volume flows of quenching medium in each of the channels ending in the receptacle, each individually or bundled in groups, in order to influence the cooling rate on the workpiece in a targeted manner during a quenching process in accordance with the increased or decreased demand.
  • Control organs can be controllable pumps or valves that distribute a pressurized quenching medium to the channels and that are designed to adjust the volume flow. This can be done by PWM-controlled switching valves and / or by
  • These resources can be trained by: i. Means for detecting an actual temperature and a cooling rate by at least one, preferably several temperature sensors arranged close to the workpiece, and assignment to a currently present actual control value for control organs for controlling the volume flows, ii. Means for detecting an ideal temperature and a
  • Cooling rate which ideally should be present on the workpiece in order to achieve predefined material properties, using a digital model of the workpiece or the recording of the fixture stored in a control device, iii. Means for creating the control setpoint according to point ii. of claim 13 based on a difference between the actual temperature and the ideal temperature.
  • a means can have a processing, in particular control unit with microprocessors (CPU) and / or one or more programs or program modules that are data or signal-connected to a memory and / or bus system.
  • the CPU can be designed to process commands that are implemented as a program stored in a memory system, to send input signals from a data bus
  • a storage system can be one or more, in particular
  • the program can be such that it does this described method is embodied or able to execute, so that the CPU can execute the steps of such methods and thus in particular control, in particular regulate, the fixture.
  • one or more, in particular all, steps of the method can be carried out completely or partially in an automated manner, in particular by the controller or its means.
  • Fig. 1 a section of a part of a fixture with a
  • a receptacle which more or less positively receives a workpiece and clamps this with a central mandrel radially from the inside and axially via hold-down devices, and
  • Fig. 2 a view of the fixture
  • FIG. 4 a partial area of two valve plates which can be inserted into a fixture according to FIG. 1 or FIG. 2.
  • Selections and assignments for example assignment of output values to input values in characteristic diagrams.
  • Figure 1 shows a fixture 1 for quenching workpieces 2 with a closable receptacle 3 for the workpiece 2 and a plurality of fluid-conducting channels 4 which open into the receptacle 3 for supplying quenching medium into the receptacle 3 and thereby to the workpiece 2.
  • the channels 4 are mainly directed at the workpiece 2, that is, the quenching medium emerging from the channels 4 impinges directly on surfaces on the workpiece 2.
  • the receptacle 3 has a central mandrel 5 which can be guided through the annular workpiece 2.
  • the workpiece 2 is a gear with two gear rings.
  • Downholder 6 holds workpiece 2 in position in axial direction A.
  • the fixture has six groups of channels 4. Each group of channels 4 opens directly or previously deflected in the receptacle 3.
  • the channels 4 are each ring-shaped concentrically around the
  • a first group Gl is arranged in the receptacle 3 in such a way that the channels 4 assigned to it flow onto an outer side 7 of the workpiece 2 from the outside against a radial direction R.
  • the channels 4 flowing towards the outside 7 and shown in FIG. 1 are part of a plurality of channels 4, which are assigned to the group Gl and are arranged in a ring around the workpiece 2, the
  • a second group G2 is arranged in such a way that the channels 4 assigned to it flow flatly onto the outside 7 from an underside 8 to an upper side 9. Two channels 4 of the second group G2 are visible, but the channels 4 of group G2 are visible
  • a third group G3 is arranged in such a way that the channels 4 assigned to it face the underside 8
  • a fourth group G4 is like that
  • a fifth group G5 is like that
  • a sixth group G6 is like that
  • the channels 4 assigned to it flow towards the upper side 9. It also applies to the sixth group G6 that the channels assigned to it are arranged concentrically to the axial direction A around the entire circumference, but only two in Figure 1 can be seen.
  • the channels 4 of the sixth group G6 are supplied with quenching medium from the mandrel 5.
  • Controllable volume flows Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 and Q6 of quenching medium pass through the groups Gl to G6 in the receptacle 3 in order to influence a cooling rate on the workpiece 2 in a targeted manner during a quenching process.
  • the volume flows Q1 to Q6 can be set via valves 11, only one valve 11 being shown schematically as an example.
  • the valve 11 can be regulated, in particular it is a proportional valve.
  • Other designs, such as switching valves controlled via PWM (pulse width modulation), are also conceivable.
  • FIG 2 two supply chambers 12 and 13 are shown, which are flooded during operation with a detergent which is under a certain pressure.
  • the valves 11 are designed to establish a fluid-conducting connection between the supply chambers 12, 13 and the groups Gl to G6 of channels 4 and
  • the valves 11 are therefore selected such that a volume flow Q1 to Q6 that is necessary for a desired cooling rate can be realized.
  • the second supply chamber 13 is concentric within the second supply chamber 12
  • the first supply chamber 12 supplies the groups Gl to G2 with quenching medium when valves 11 assigned to them are open.
  • the second supply chamber 13 supplies the groups G3 to G6 with quenching medium when valves 11 assigned to them are open.
  • Volume flow sensors 14 are provided, which are configured for this purpose are to detect a volume flow Ql to Q6 directed to the channels 4 and to generate an electrical analog or digital signal.
  • the signal can be detected by a control device 15 and processed.
  • the signal corresponding to the respective volume flow Q1 to Q6 can be passed on wirelessly and via a line (not shown).
  • temperature sensors TC3, TC4, TC5, TC6 are arranged in the fixture, in particular close to the workpiece 2, and are designed to include one emitted by the workpiece 2
  • the signal can be detected by the control device 15 and processed. That at the respective temperature
  • the corresponding signal can be passed on wirelessly and via a line (not shown).
  • a line not shown.
  • they are temperature-insensitive and quick-reacting
  • Temperature sensors TC3 to TC6 used.
  • a first temperature sensor TC1 can be seen in FIG. 2, which is arranged in the first supply chamber 12 in order to detect how high the temperature of the quenching medium is in the first supply chamber 12.
  • a seventh temperature sensor TC7 is arranged at an outlet 16 for discharging the quenching medium from the fixture 1. The quenching medium can then be processed in a manner not shown, in particular cooled if necessary.
  • Temperature sensors TC1 to TC7 have been introduced.
  • the fixture 1 also has sound sensors S1 with which the evaporation of the detergent can be monitored.
  • a burst open The surface of the workpiece or the formation of cracks in the workpiece is generally undesirable and leads to the reject of the workpiece.
  • the bursting and the formation of cracks can be detected via sound sensors S1.
  • the volume at which the quenching medium evaporates can also be used to infer a surface temperature.
  • the sound sensors S1 are used for this.
  • pressure sensors P3 and P4 close to the workpiece 2 are also provided.
  • valve 11 shown as an example is a
  • Valves 11 are provided either on each channel 4 or on groups Gl to G6 of channels 4. For the sake of clarity, each individual valve is not shown in detail.
  • valve plates 17 and 18 can be rotated relative to one another.
  • a displacement of the valve plates 17 and 18 is also possible, but not shown, in order to achieve a further degree of freedom for opening and closing the valves.
  • valves 11 and the sensors TC1 to TC7, PI to P4, Sl are signal-transmitting or signal-conducting coupled to a control device 14, which is designed to process the signals detected by the sensors and to generate actual values therefrom and in the event of a deviation from an actual value from a setpoint the To control valves 11 differently to achieve a definable controllable local volume flow.
  • FIG. 1 An in one is shown in FIG. 1
  • Control device 15 implemented a digital model of the fixture 21, which is used in the control device 15 in order to determine a temperature distribution close to the workpiece 2
  • Output volume flows Ql to Q6 in the respective groups Gl to G6 of channels 4.
  • the cooling rate through the temperature sensors TC1 to TC7, the pressures and a pressure drop at the pressure sensors P3 and P4, and / or the sound at the sound sensor S1 is assigned to a currently present control actual value for control elements (valves 11) to control the volume flows Ql to Q6. Parallel or
  • the cooling rate which should ideally be present on the workpiece 2, takes place on the basis of an adjustment and a comparison of the digital model 21 with the actual fixture 1.
  • a control setpoint for the volume flows Q1 to Q7 (or a setting value for the valves 11) is then generated based on a difference set between the actual temperature and an ideal temperature. Furthermore, the
  • the signals obtained can be used for further detailing or clarification of the current state of the fixture 1 and the workpiece 2 located therein.
  • a digital model of the workpiece 22 is implemented in a control device 15, a current temperature distribution and an upcoming temperature distribution based on the signals
  • Correction values for regulating the volume flows in the respective channels 4 are output.
  • Step 101 sees the detection of a spot
  • Step 102 sees the creation of a control setpoint for
  • Step 103 sees the regulation of the

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Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Fixtur (1) zum Abschrecken von Werkstücken (2), aufweisend eine verschließbare Aufnahme (3) für ein Werkstück (2) und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen (4) zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme (3) und dadurch an das Werkstück (2), wobei Volumenströme Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 an Abschreckmedium zu Gruppen G1, G2, G3, G4, G5, G6 von Kanälen (4) regulierbar sind, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück (2) stellenweise gezielt zu beeinflussen.

Description

Titel :
Fixtur zum Abschrecken und Härten eines Werkstücks mit gezielt ansteuerbaren Kanälen zum Zuführen von Abschreckmedium
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fixtur und ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken als Teil eines Härteprozesses. Die Fixtur weist eine Aufnahme auf und einen Dorn, der mittig in ein ringförmiges Werkstück eingreift. Gattungsgemäße Fixturen können auch Niederhalter aufweisen, um das Werkstück zu fixieren, damit es sich während des Abkühlens nicht verzieht, oder, wenn es sich beim Erhitzen schon verzogen hat, um es wieder in Form zu
drücken. Als Abschreckmedium kommen Gase und Flüssigkeiten infrage, wobei aufgrund der hohen Temperaturen am Werkstück zumindest zu Beginn des Abschreckprozesses flüssige
Abschreckmittel teilweise verdampfen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken mittels Preßwerkzeugen ist aus der DE 40 04 295 C2 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, während jedes Abschreckvorgangs die
Auswirkungen der vorgegebenen Verfahrensparameter direkt oder indirekt zu messen und die vorgegebenen Verfahrensparameter bei Abweichungen vom gewünschten Ziel entsprechend den bekannten Wirkungen der Verfahrensparameter automatisch zu ändern. Eine Durchflußmenge an zirkulierendem Kühlmedium kann für die gesamte Fixtur innerhalb gewisser Grenzen entsprechend eines geforderten Sollwerts eingestellt werden. Die DE 10 2009 004 125 Al betrifft eine druckbeaufschlagende Fixierungsvorrichtung für thermisch zu behandelnde Werkstücke, welche eine Auflageeinrichtung integriert, auf welcher bei
Betrieb während eines Härte- oder Abkühlprozesses wenigstens ein thermisch zu behandelndes Werkstück aufliegt, wobei die
Auflageeinrichtung Auflagepositionen in lediglich einer
horizontalen Ebene bereitstellt, und eine oberhalb der
Auflagepositionen angeordnete Niederhaltungseinrichtung, welche eine Vielzahl von Niederhaltungswerkzeugen besitzt, die in
Richtung der Auflagepositionen gerichtete Niederhaltungsenden bereithalten, wobei die Niederhaltungswerkzeuge jeweils derart einzeln vertikal beweglich angeordnet und mit Druck
beaufschlagbar sind, dass in einem Lade- oder Entladezustand der Vorrichtung zwischen jedem Niederhaltungsende und den
Auflagepositionen ein Freiraum definiert ist, der im Betrieb während eines Härte- und/oder Abkühlprozesses vollständig
geschlossen ist, und zwar derart, dass jedes Niederhaltungsende entweder an einer Auflageposition oder an einem thermisch zu behandelnden Werkstück anliegt.
EP 2 700 725 A2 offenbart ein Verfahren zum Härten jeweils eines einzelnen, ringförmigen Werkstückes sowie eine hierzu
ausgebildete Fixtur, bei welchem ein einzelnes, zu härtendes ringförmiges Werkstück mit dessen Öffnung über einen Dorn
gestülpt wird, bis das Werkstück mit einer ersten Stirnfläche auf einer Auflage aufliegt; ein oder mehrere Niederhalter von einer der ersten Stirnfläche entgegen gerichteten Seite in Richtung des Auflagers zugeführt wird bzw. werden, bis der bzw. die
Niederhalter auf einer der ersten Stirnfläche entgegen
gerichteten zweiten Stirnfläche des Werkstücks kraftbeaufschlagt aufliegt bzw. aufliegen; kaltes gasförmiges Abschreckmittel zumindest an das Werkstück begrenzende und zueinander entgegen gerichtete Flächen des Werkstückes zugeführt wird; und erwärmtes Abschreckmittel abgeführt wird. Gasförmige und flüssige
Abschreckmittel können dem Werkstück getrennt zugeführt werden.
Innerhalb der Fixtur ist wenigstens ein Temperaturaufnehmer zur Erfassung der Temperatur am Werkstück angeordnet, wobei der
Temperaturaufnehmer an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Einstellen der Zuführung von Abschreckmittel basierend auf der Temperatur am Werkstück angeschlossen ist. Die Menge an
gasförmigem und flüssigem Abschreckmittel kann global für die gesamte Fixtur bzw. das gesamte Werkstück geregelt werden.
In dem Artikel Fixture Hardening of Large Components vom
05.09.2016, veröffentlicht unter Industrial Heating von Gerd Müller-Laessing und Markus Strobl wird belegt, dass es möglich ist, durch einen Abschreckvorgang verzogene ringförmige
Werkstücke, insbesondere Zahnräder, zu begradigen, bzw. deren Rundheit wieder herzustellen. Hierfür werden die Werkstücke beim Abschrecken radial von innen kraftbeaufschlagt und axial von Niederhaltern zusammengedrückt. Die Menge an Abschreckmittel wird so hoch eingestellt, dass eine gleichmäßige Abkühlung erfolgt.
Die Verteilung an Abschreckmittel von innen nach außen kann für jedes Werkstück auf eine optimale Rate eingestellt werden.
In der Dissertation von Anders Olofson Hardening Distortions of Serial Produced Gears, KTH Royal Institute of Technology,
Stockholm, 2017, ISBN 978-91-7729-449-8 wird ganzheitlich
untersucht, welche Parameter beim Herstellungsprozeß von
Zahnrädern, vom Urformen zum Abschrecken, zu Verformungen führen. Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, die Kontrollierbarkeit des Abschreckvorganges zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
Unteransprüche sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und sie zeigen weitere Aspekte der Erfindung auf.
Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, spezifiziert und charakterisiert die Erfindung zusätzlich.
Vorgesehen ist demgemäß eine Fixtur zum Abschrecken von
Werkstücken, aufweisend eine verschließbare Aufnahme für ein Werkstück und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen zum
Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme und dadurch an das Werkstück, wobei Volumenströme an Abschreckmedium zu Gruppen von Kanälen regulierbar sind, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück stellenweise gezielt zu
beeinflussen .
Dadurch, dass Gruppen von Kanälen regulierbar sind, wird ein gezieltes Reagieren auf eine ungleichförmige Abkühlrate am
Werkstück ermöglicht. Abschreckmedium muß nicht mehr global für die gesamte Fixtur erhöht werden, bloß weil der Volumenstrom an einer einzigen Stelle nicht ausreicht. Dadurch wird die
Prozeßführung beim Abschrecken erheblich verbessert, weil
Volumenströme an Gruppen von Kanälen zugunsten von heißeren
Stellen am Werkstück mit erhöhtem Bedarf verringert werden kann.
Anders ausgedrückt kann eine Verteilung an Volumenströmen um das Werkstück auf eine gleichmäßige Abkühlrate eingestellt werden. Dadurch können zum einen durch ungleichmäßige Abkühlung
entstehende Verformungen unterbunden werden. Zum anderen können lokal an nahezu jeder Stelle am Werkstück, auf die ein Kanal gerichtet ist, eine ganz gezielte Abkühlrate eingehalten werden, um definierte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Die Aufnahme kann einen Boden, Seitenwände, einen Deckel und einen mittig das Werkstück durchdringenden Dorn aufweisen. Die fluidleitenden Kanäle münden in die Aufnahme und sind nach Möglichkeit so ausgerichtet, dass aus ihnen heraustretendes Abschreckmedium auf das Werkstück gerichtet wird. Die Kanäle sind im Wesentlichen runde, kreisförmig nebeneinander angeordnete Bohrungen. Als Abschreckmedium kommen Flüssigkeiten und Gase in Betracht.
In einer Ausgestaltung sind für ein ringförmiges Werkstück mit einer radial außen liegenden Außenseite, einer radial innen liegenden Innenseite, einer axial oben liegenden Oberseite und einer axial unten liegenden Unterseite ringförmig angeordnete Gruppen von Kanälen vorgesehen, wobei eine erste Gruppe so in der Aufnahme angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Außenseite aus einer axialen Richtung von außen anströmen, eine zweite Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Außenseite flächig von der Unterseite zur Oberseite
anströmen, eine dritte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Unterseite anströmen, eine vierte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die
Innenseite flächig von der Unterseite zur Oberseite anströmen, eine fünfte Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Innenseite radial auswärts anströmen und eine sechste Gruppe so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle die Oberseite anströmen.
Dadurch wird bei einem ringförmigen Werkstück, insbesondere einem Zahnrad, eine gleichmäßige Abkühlung an jeder außen liegenden Fläche erzielbar. In einer Ausgestaltung wird der Volumenstrom über Ventile reguliert, die ausgangsseitig mit den Kanälen und eingangsseitig zumindest mit einer mit Abschreckmedium druckbeaufschlagten
Versorgungskammer fluidleitend verbunden sind.
Die Gruppen von Kanälen können über jeweils ein Ventil gesteuert werden oder jeder Kanal einer Gruppe kann über ein eigenes Ventil gesteuert werden.
In einer Ausgestaltung sind die Ventile Proportionalventile, die abhängig von einem Eingangssignal ein veränderliches
Durchlaßverhalten aufweisen.
Durch den Einsatz von Proportionalventilen kann ein in die Kanäle fließender Volumenstrom stetig auf genau den bestehenden Bedarf eingestellt werden.
In einer Ausgestaltung sind in den Kanälen, insbesondere nahe am Werkstück Volumenstromsensoren vorgesehen sind, welche dazu ausgestaltet sind, einen an die Kanäle geleiteten Volumenstrom zu erfassen und ein Signal zu erzeugen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück Temperatursensoren angeordnet, welche dazu ausgestaltet sind, eine von dem Werkstück abgestrahlte Temperatur zu erfassen und ein Signal zu erzeugen.
Die Temperatursensoren können dabei so angeordnet sein, dass sie eine vom Werkstück abgestrahlte Temperatur nahe an einem das Werkstück anstrahlenden Kanal angeordnet ist. Anstrahlen bedeutet in diesem Zusammenhang die gerichtete Beaufschlagung mit
Abschreckmedium. Anders ausgedrückt befinden sich die Temperatursensoren vorzugsweise derart in der Fixtur bzw. der Aufnahme, dass eine von ihnen detektierte heiße Position am
Werkstück unmittelbar von Abschreckmedium angeströmt werden kann. Im derzeitigen Stand der Technik werden empirisch ermittelte Daten für jedes Werkstück einzeln ermittelt und das
Abschreckmedium entsprechend ohne genaue Kenntnis der Vorgänge in der Fixtur für jedes Werkstück gleich zugeführt. Durch den
Einsatz einer Überwachung in Form von Temperatursensoren ist es möglich, örtlich höhere Bedarfe an Abschreckmedium sofort zu erkennen und entsprechend dort den Volumenstrom so zu erhöhen, dass eine gezielte Abkühlrate eingehalten werden kann.
In einer Ausgestaltung sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück Schallsensoren angeordnet.
Die Schallsensoren liefern der Steuereinheit weitere Daten, die Aufschluß über das Abkühlverhalten geben. Ein direktes Feedback in Form von Schallwellen vom Werkstück wird an sich, vor allem bei einer (unerwünschten) Rißbildung und bei Aufplatzungen an der Werkstückoberfläche durch zu hohe Oberflächen- und
Eigenspannungen gegeben. Indirekt geben Schallsensoren Aufschluß über die Oberflächentemperatur, da das Abschreckmedium, je höher die Oberflächentemperatur am Werkstück ist, schneller und lauter verdampft .
In einer Ausgestaltung sind, die die Volumenstromsensoren in die Ventile integriert.
Dadurch kann ein kompakter Aufbau einer Fixtur realisiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung sind die Ventile durch eine obere Ventilplatte und eine untere Ventilplatte, die gegenüber der oberen Ventilplatte verschiebbar angeordnet ist, um Bohrungen in der unteren Ventilplatte in Überlappung mit Bohrungen in der oberen Ventilplatte zu bringen, gebildet.
Die Ventilplatten können insbesondere gegeneinander verdreht werden, um mit zunehmender Verdrehung unterschiedliche Kanäle bzw. Gruppen von freizugeben bzw. eine fluidleitende Verbindung von Versorgungskammern zu den Gruppen Kanälen bereitzustellen.
In einer Ausgestaltung sind die Ventile und die Sensoren
signalübertragend mit einer Steuereinrichtung gekoppelt, die dazu ausgestaltet ist, die von den Sensoren erfaßten Signale zu verarbeiten und daraus Istwerte zu generieren und bei einer
Abweichung eines Istwertes von einem Sollwert die Ventile zur Erreichung eines definierbaren steuerbaren örtlichen
Volumenstroms differenziert anzusteuern.
In einer weiteren Ausgestaltung ist einer Steuereinrichtung ein digitales Model der Fixtur implementiert, welches in der
Steuereinrichtung verwendet wird, um eine Temperaturverteilung nahe am Werkstück zu antizipieren und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Gruppen von
Kanälen auszugeben.
Durch eine genaue Kenntnis des momentanen Zustands
(Temperaturverteilung und Volumenströme) der Fixtur und einem Abgleich mit einem digitalen Modell kann eine Reaktion auf eine Verschiebung eines Regelsollwerts computerimplementiert
vorhergesagt werden und entsprechend die Ventile oder die
Ventilplatten so angesteuert werden, dass eine gewünschte
Temperaturverteilung und eine gewünschte Verteilung von
Volumenströmen an Abschreckmedium resultiert. Die Präzision einer Regelsollwertveränderung und der darauffolgenden Reaktion der Fixtur kann damit erhöht werden gegenüber einer Regelung, die sich lediglich auf eine Rückkoppelung von Sensoren verläßt, um eine Abweichung zwischen einem Sollwert und einem Istwert
einzustellen .
In einer weiteren Ausgestaltung ist in einer Steuereinrichtung ein digitales Model des Werkstücks implementiert, welches in der Steuereinrichtung basierend auf einer Position und einer Richtung der Kanäle eine Strömungsverteilung und eine daraus resultierende Temperaturverteilung am Werkstück antizipiert und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Kanälen ausgibt .
Durch eine genaue momentane Kenntnis des momentanen Zustands des Werkstücks, insbesondere der Temperaturverteilung, eines
Umwandlungs- Wärmeübertragungs- und Diffusionsvorgangs in einem digitalen Modell kann eine Reaktion des Werkstücks auf eine
Verschiebung eines Regelsollwerts der Fixtur bzw. noch präziser computerimplementiert vorhergesagt werden und entsprechend die Ventile oder die Ventilplatten so angesteuert werden, dass eine gewünschte Abkühlrate erzielt wird. Die Präzision einer
Regelsollwertänderung und der darauffolgenden chemisch
physikalischen Reaktion des Werkstücks kann damit erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Fixtur für unterschiedliche Werkstücke angepaßt werden kann, indem lediglich ein dem abzuschreckenden Werkstück entsprechendes digitales Modell implementiert wird. Die ideale Prozeßführung übernimmt die Fixtur bzw. die Steuereinrichtung dann automatisch.
Erfindungsgemäß vorgesehen sind Mittel, welche in einer
Steuereinheit zur Regelung einer Fixtur hinterlegbar sind, um ein in einer Aufnahme einlegbares Werkstück abzukühlen, aufweisend: i. Mittel zum Erfassen eines stellenweisen erhöhten oder verringerten Bedarfs einer Abkühlrate an einem in einer Aufnahme der Fixtur eingelegten Werkstück, ii. Mittel zum Erstellen eines Regelsollwerts für Regelorgane zur Regelung eines Volumenstroms in der Fixtur, iii. Mittel zum Regeln der Volumenströme an Abschreckmedium in jeweils in der Aufnahme endenden Kanälen, jeweils einzeln oder nach Gruppen gebündelt, um während eines Abschreckvorganges die Abkühlrate an dem Werkstück gezielt stellenweise entsprechend des erhöhten oder verringerten Bedarfs zu beeinflussen.
Regelorgane können regelbare Pumpen sein oder Ventile, die ein mit Druck beaufschlagtes Abschreckmedium an die Kanäle verteilen und die dazu ausgestaltet sind, den Volumenstrom einzustellen. Dies kann durch PWM-gesteuerte Schaltventile und/oder durch
Proportionalventile erfolgen.
Diese Mittel können weitergebildet werden durch: i. Mittel zum Erfassen einer tatsächlichen Temperatur und einer Abkühlrate durch mindestens einen, vorzugsweise mehrere nahe am Werkstück angeordnete Temperatursensoren, und Zuordnung zu einem momentan vorliegenden Regelistwert für Regelorgane zur Regelung der Volumenströme, ii. Mittel zum Erfassen einer idealen Temperatur und einer
Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück vorliegen müßten, um vordefinierte Werkstoffeigenschaften zu erreichen, anhand eines in einer Steuereinrichtung hinterlegten digitalen Models des Werkstücks bzw. der Aufnahme der Fixtur, iii. Mittel zum Erstellen des Regelsollwerts entsprechend Punkt ii. aus Anspruch 13 basierend auf einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der idealen Temperatur.
In einer weiteren Ausgestaltung sind ferner vorgesehen: i. Mittel zum Erfassen eines Geräuschpegels in der Aufnahme anhand eines Schallsensors,
ii. Mittel zum Erfassen eines Druckunterschieds vor und nach dem Werkstück in der Aufnahme durch mehrere Drucksensoren,
iii. Mittel zum Ergänzen eines tatsächlichen Zustands des reellen Werkstücks basierend auf dem Druckunterschied und dem
Geräuschpegel .
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann
hardwaretechnisch und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Mittel eine mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs- , insbesondere Steuereinheit mit Mikroprozessoren (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgestaltet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu
erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben.
Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere
verschiedene Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Fixtur steuern, insbesondere regeln kann. In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihre Mittel.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu
Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
Fig. 1: im Schnitt einen Teilbereich einer Fixtur mit einer
Aufnahme, welche mehr oder weniger formschlüssig ein Werkstück aufnimmt und dies mit einem mittigen Dorn radial von innen und axial über Niederhalter verspannt, und
Fig. 2: eine Ansicht der Fixtur,
Fig. 3: schematisch drei Verfahrensschritte, welche in der Fixtur ablaufen können, um die Fixtur zu steuern, und
Fig. 4: einen Teilbereich zweier in eine Fixtur gemäß Figur 1 oder Figur 2 einlegbarer Ventilplatten.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich
veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und
Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
Figur 1 zeigt eine Fixtur 1 zum Abschrecken von Werkstücken 2 mit einer verschließbaren Aufnahme 3 für das Werkstück 2 und eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen 4, die in die Aufnahme 3 münden, zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme 3 und dadurch an das Werkstück 2. Die Kanäle 4 sind überwiegend auf das Werkstück 2 gerichtet, das heißt aus den Kanälen 4 austretendes Abschreckmedium prallt unmittelbar auf Oberflächen am Werkstück 2. Die Aufnahme 3 weist zentral einen Dorn 5 auf, der durch das ringförmige Werkstück 2 geführt werden kann. Bei dem Werkstück 2 handelt es sich um ein Zahnrad mit zwei Zahnradkränzen. Ein
Niederhalter 6 hält das Werkstück 2 in axialer Richtung A in Position .
Die Fixtur weist sechs Gruppen von Kanälen 4 auf. Jede Gruppe von Kanälen 4 mündet direkt oder zuvor umgelenkt in der Aufnahme 3. Die Kanäle 4 sind jeweils ringförmig konzentrisch um das
Werkstück 2 nebeneinander angeordnet. Die Kanäle 4 münden so in der Aufnahme 3, dass durch sie einströmendes Abschreckmedium sich gleichmäßig über das Werkstück 2 verteilt.
Eine erste Gruppe Gl ist so in der Aufnahme 3 angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 eine Außenseite 7 des Werkstücks 2 entgegen einer radialen Richtung R von außen anströmen. Die die Außenseite 7 anströmenden und in Figur 1 dargestellten Kanäle 4 sind Teil einer Vielzahl an der Gruppe Gl zugeordneten, ringförmig um das Werkstück 2 angeordneten Kanälen 4, der
Einfachheit halber sind nur vier Kanäle 4 dargestellt. Eine zweite Gruppe G2 ist so angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Außenseite 7 flächig von einer Unterseite 8 zur einer Oberseite 9 anströmen. Sichtbar sind zwei Kanäle 4 der zweiten Gruppe G2, die Kanäle 4 der Gruppe G2 sind jedoch
konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine dritte Gruppe G3 ist so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Unterseite 8
anströmen. Sichtbar sind wieder nur zwei Kanäle 4 der dritten Gruppe G3, die Kanäle 4 der Gruppe G3 sind jedoch auch
konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine vierte Gruppe G4 ist so
angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 eine Innenseite 10 des Werkstücks 2 flächig von der Unterseite 8 zur Oberseite 9 anströmen. Sichtbar sind in Figur 1 wieder nur zwei Kanäle 4 der vierten Gruppe G4. Die Kanäle 4 der vierten Gruppe G4 sind jedoch auch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine fünfte Gruppe G5 ist so
angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Innenseite 10 vom Inneren des Dorns 5 her in radialer Richtung R auswärts anströmen. Dargestellt sind in Figur 1 wiederum nur zwei Kanäle 4 der fünften Gruppe G5. Die Kanäle 4 der Gruppe G5 sind jedoch auch konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet. Eine sechste Gruppe G6 ist so
angeordnet, dass die ihr zugeordneten Kanäle 4 die Oberseite 9 anströmen. Auch für die sechste Gruppe G6 gilt, dass die ihr zugeordneten Kanäle konzentrisch zur axialen Richtung A um den kompletten Umfang nebeneinander angeordnet sind, aber nur zwei in Figur 1 erkennbar sind. Die Kanäle 4 der sechsten Gruppe G6 werden vom Dorn 5 aus mit Abschreckmedium versorgt.
Durch die Gruppen Gl bis G6 gelangen regelbare Volumenströme Ql, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 an Abschreckmedium in die Aufnahme 3, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück 2 stellenweise gezielt zu beeinflussen. Über Ventile 11 können die Volumenströme Ql bis Q6 eingestellt werden, wobei beispielhaft nur ein Ventil 11 schematisch dargestellt ist. Das Ventil 11 ist regelbar, insbesondere handelt es sich um ein Proportionalventil. Andere Bauformen wie zum Beispiel über PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuerte Schaltventile sind ebenfalls denkbar.
In Figur 2 sind zwei Versorgungskammern 12 und 13 dargestellt, die im Betrieb mit Abschreckmittel geflutet sind, das unter einem gewissen Druck steht. Die Ventile 11 sind dazu ausgestaltet, eine fluidleitende Verbindung zwischen den Versorgungskammern 12, 13 und den Gruppen Gl bis G6 von Kanälen 4 herzustellen und
innerhalb gewisser Grenzen stetig zu regeln. Die gewissen Grenzen ergeben sich durch eine konstruktionsbedingte Drosselwirkung der Ventile 11. Die Ventile 11 werden daher so gewählt, dass ein für eine gewünschte Abkühlrate notwendiger Volumenstrom Ql bis Q6 realisiert werden kann. Die zweite Versorgungskammer 13 ist konzentrisch innerhalb der zweiten Versorgungskammer 12
angeordnet. Die erste Versorgungskammer 12 versorgt die Gruppen Gl bis G2 mit Abschreckmedium, wenn ihnen zugeordnete Ventile 11 offen sind. Die zweite Versorgungskammer 13 versorgt die Gruppen G3 bis G6 mit Abschreckmedium, wenn ihnen zugeordnete Ventile 11 offen sind.
In den Kanälen 4 bzw. den Ventilen 11 sind ferner
Volumenstromsensoren 14 vorgesehen, welche dazu ausgestaltet sind, einen an die Kanäle 4 geleiteten Volumenstrom Ql bis Q6 zu erfassen und ein elektrisches analoges oder digitales Signal zu erzeugen. Das Signal kann von einer Steuereinrichtung 15 erfaßt und verarbeitet werden. Das zum jeweiligen Volumenstrom Ql bis Q6 korrespondierende Signal kann kabellos und über eine nicht dargestellte Leitung weitergegeben werden.
Weiterhin sind in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück 2 Temperatursensoren TC3, TC4, TC5, TC6 angeordnet, welche dazu ausgestaltet sind, eine von dem Werkstück 2 abgestrahlte
Temperatur zu erfassen und ein analoges oder digitales Signal zu erzeugen. Das Signal kann von der Steuereinrichtung 15 erfaßt und verarbeitet werden. Das zur jeweiligen Temperatur
korrespondierende Signal kann kabellos und über eine nicht dargestellte Leitung weitergegeben werden. Vorzugsweise werden temperaturunempfindliche und schnell reagierende
Temperatursensoren TC3 bis TC6 verwendet.
Weiterhin ist in Figur 2 erkennbar ein erster Temperatursensor TC1, der in der ersten Versorgungskammer 12 angeordnet ist, um zu erfassen, wie hoch die Temperatur des Abschreckmediums in der ersten Versorgungskammer 12 ist. Ein siebter Temperatursensor TC7 ist an einem Auslaß 16 zur Ableitung von Abschreckmedium aus der Fixtur 1 angeordnet. Abschreckmedium kann anschließend in nicht dargestellter Weise aufbereitet, insbesondere gekühlt ggf.
gefiltert und ggf. mit frischem Abschreckmittel vermengt werden und den Versorgungskammern 12 und 13 wieder zugeführt werden Zur Überwachung des Abschreckvorgangs sind bereits
Temperatursensoren TC1 bis TC7 eingeführt worden. Die Fixtur 1 weist ferner Schallsensoren S1 auf, mit denen das Verdampfen des Abschreckmittels überwacht werden kann. Ein Aufplatzen einer Oberfläche des Werkstücks oder eine Rißbildung im Werkstück ist in der Regel unerwünscht und führt zum Ausschuß des Werkstücks. Das Aufplatzen und die Rißbildung ist über Schallsensoren S1 detektierbar . Im Übrigen kann aus einer Lautstärke, mit der das Abschreckmedium verdampft, auch auf eine Oberflächentemperatur geschlossen werden. Hierfür dient der Schallsensoren Sl. Zur Überwachung von statischem und dynamischem Drücken in der Fixtur 1, insbesondere von einem Druckabfall über dem Werkstück 2, sind ferner Drucksensoren P3 und P4 nahe am Werkstück 2 vorgesehen.
In dem exemplarisch dargestellten Ventil 11 ist ein
Volumenstromsensor 14 integriert. Ventile 11 sind entweder an jedem Kanal 4 oder an Gruppen Gl bis G6 von Kanälen 4 vorgesehen. Der Übersicht halber wird auf die dezidierte Darstellung jedes einzelnen Ventils verzichtet.
Es ist denkbar, entsprechend Figur 4 die Ventile 11 auszubilden durch eine obere Ventilplatte 17 und eine untere Ventilplatte 18. Die untere Ventilplatte 18 ist gegenüber der oberen Ventilplatte 17 verdrehbar angeordnet, um Bohrungen 19 in der unteren
Ventilplatte 18 in Überlappung mit Bohrungen 20 in der oberen Ventilplatte 17 zu bringen. Die Ventilplatten 17 und 18 können gemäß dieser Ausgestaltung gegeneinander verdreht werden. Eine Verschiebung der Ventilplatten 17 und 18 ist zur Erreichung eines weiteren Freiheitsgrads für ein Öffnen und Schließen der Ventile ebenfalls möglich aber nicht dargestellt.
Die Ventile 11 und die Sensoren TC1 bis TC7, PI bis P4, Sl sind signalübertragend bzw. signalleitend mit einer Steuereinrichtung 14 gekoppelt, die dazu ausgestaltet ist, die von den Sensoren erfaßten Signale zu verarbeiten und daraus Istwerte zu generieren und bei einer Abweichung eines Istwertes von einem Sollwert die Ventile 11 zur Erreichung eines definierbaren steuerbaren örtlichen Volumenstroms differenziert anzusteuern.
Exemplarisch beispielhaft ist in Figur 2 ein in einer
Steuereinrichtung 15 implementiertes digitales Modell der Fixtur 21 implementiert, welches in der Steuereinrichtung 15 verwendet wird, um eine Temperaturverteilung nahe am Werkstück 2 zu
antizipieren und Korrekturwerte für die Regulierung der
Volumenströme Ql bis Q6 in den jeweiligen Gruppen Gl bis G6 von Kanälen 4 auszugeben.
Nach dem Erfassen einer tatsächlichen Temperatur und einer
Abkühlrate durch die Temperatursensoren TC1 bis TC7, der Drücke und einem Druckabfall an den Drucksensoren P3 und P4, und/oder des Schalls am Schallsensor S1 erfolgt eine Zuordnung zu einem momentan vorliegenden Regelistwert für Regelorgane (Ventile 11) zur Regelung der Volumenströme Ql bis Q6. Parallel oder
anschließend wird anhand des digitalen Modells der Fixtur 21 eine ideale Temperatur und eine Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück vorliegen müßten, um vordefinierte
Werkstoffeigenschaften zu erreichen, ermittelt. Dies gemessenen Werte können anhand des digitalen Modells 22 des Werkstücks 2 validiert werden. Weiterhin kann das digitale Modell 22 dazu verwendet werden, aus den lediglich nahe am Werkstück 2 erfaßten Temperaturen die tatsächlichen Temperaturen am und im Werkstück zu berechnen. Daraus kann eine ideale Temperatur und eine
Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück 2 vorliegen müßte, anhand eines Abgleichs und eines Vergleichs des digitalen Modells 21 mit der tatsächlichen Fixtur 1 erfolgen. Anschließend wird ein Regelsollwert für die Volumenströme Ql bis Q7 (bzw. ein Einstellwert für die Ventile 11) basierend auf einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und einer idealen Temperatur eingestellt. Weiterhin können die von den
Drucksensoren PI bis P4 sowie die von den Schallsensor S1
gewonnenen Signale zur weiteren Detaillierung bzw. Präzisierung des aktuellen Zustands der Fixtur 1 und des darin befindlichen Werkstücks 2 herangezogen werden.
Weiterhin ist in einer Steuereinrichtung 15 ein digitales Modell des Werkstücks 22 implementiert, wobei anhand der Signale eine aktuelle Temperaturverteilung und eine baldige
Temperaturverteilung am Werkstück 2 antizipiert wird und
Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme in den jeweiligen Kanälen 4 ausgegeben werden.
In der Steuereinrichtung 15 läuft ein Verfahren zur Abkühlung bzw. zum Abschrecken eines in der Aufnahme 3 eingelegten
Werkstücks 2 mit den in Figur 3 dargestellten Schritten 101 bis 103 ab. Schritt 101 sieht das Erfassen eines stellenweise
erhöhten oder verringerten Bedarfs einer Abkühlrate an einem in einer Aufnahme 3 der Fixtur 1 eingelegten Werkstück 2 vor.
Schritt 102 sieht das Erstellen eines Regelsollwerts für
Regelorgane 11, 17, 18 zur Regelung eines Volumenstroms Ql bis Q6 in der Fixtur 1 vor. Schritt 103 sieht das Regeln der
Volumenströme Ql bis Q6 an Abschreckmedium in jeweils in der Aufnahme 3 endenden Kanälen 4 vor, jeweils einzeln oder nach Gruppen Gl bis G6 gebündelt, um während eines Abschreckvorganges die Abkühlrate an dem Werkstück 2 gezielt stellenweise
entsprechend des erhöhten oder verringerten Bedarfs zu
beeinflussen . Bezugszeichenliste
1 Fixtur
2 Werkstück
3 Aufnahme
4 Kanäle
5 Dorn
6 Niederhalter
7 Außenseite
8 Unterseite
9 Oberseite
10 Innenseite
11 Ventil
12 erste Versorgungskammer
13 zweite Versorgungskammer
14 Volumenstromsensor
15 Steuereinrichtung
16 Auslaß
17 obere Ventilplatte
18 untere Ventilplatte
19 Bohrung
20 Bohrung
21 digitales Modell der Fixtur
22 digitales Modell des Werkstücks A axiale Richtung
Gl erste Gruppe
G2 zweite Gruppe
G3 dritte Gruppe
G4 vierte Gruppe
G5 fünfte Gruppe
G6 sechste Gruppe
Ql erster Volumenstrom Q2 zweiter Volumenstrom
Q3 dritter Volumenstrom
Q4 vierter Volumenstrom
Q5 fünfter Volumenstrom
Q6 sechster Volumenstrom PI erster Drucksensor
P2 zweiter Drucksensor
P3 dritte Drucksensor
P4 vierter Drucksensor
R radiale Richtung
TC1 erster Temperatursensor TC2 zweiter Temperatursensor TC3 dritter Temperatursensor TC4 vierter Temperatursensor TC5 fünfter Temperatursensor TC6 sechster Temperatursensor TC7 siebter Temperatursensor

Claims

Patentansprüche
1. Fixtur (1) zum Abschrecken von Werkstücken (2), aufweisend:
- eine verschließbare Aufnahme (3) für ein Werkstück (2) und
- eine Mehrzahl von fluidleitenden Kanälen (4) zum Zuführen von Abschreckmedium in die Aufnahme (3) und dadurch an das Werkstück
(2) , dadurch gekennzeichnet, dass
- Volumenströme (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) an Abschreckmedium zu
Gruppen (Gl, G2, G3, G4, G5, G6) von Kanälen (4) regulierbar sind, um während eines Abschreckvorganges eine Abkühlrate am Werkstück (2) stellenweise gezielt zu beeinflussen.
2. Fixtur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein ringförmiges Werkstück (2) mit einer radial außenliegenden Außenseite (7), einer radial innen liegenden Innenseite (10), einer axial oben liegenden Oberseite (9) und einer axial untenliegenden Unterseite (8) ringförmig angeordnete Gruppen (Gl, G2, G3, G4, G5, G6) von Kanälen (4) vorgesehen sind, wobei
- eine erste Gruppe (Gl) so in der Aufnahme (3) angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Außenseite (7) entgegen einer radialen Richtung (R) von außen anströmen, eine zweite Gruppe (G2) so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Außenseite (7) flächig von der Unterseite (8) zur Oberseite (9) anströmen, eine dritte Gruppe (G3) so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Unterseite (8) anströmen, eine vierte Gruppe (G4) so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Innenseite (10) flächig von der
Unterseite (8) zur Oberseite (9) anströmen, eine fünfte Gruppe (G5) so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Innenseite (10) radial auswärts anströmen und eine sechste Gruppe (G6) so angeordnet ist, dass die ihr zugeordneten Kanäle (4) die Oberseite (9) anströmen.
3. Fixtur (1) nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) reguliert wird über Ventile (11), die ausgangsseitig mit den Kanälen (4) und eingangsseitig zumindest mit einer mit Abschreckmedium druckbeaufschlagten Versorgungskammer (12, 13) fluidleitend verbunden sind.
4. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (11) Proportionalventile sind, die abhängig von einem Eingangssignal ein veränderliches Durchlaßverhalten aufweisen.
5. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen, insbesondere nahe am Werkstück (2) Volumenstromsensoren (14) vorgesehen sind, welche dazu ausgestaltet sind, einen an die Kanäle (4) geleiteten Volumenstrom (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) zu erfassen und ein Signal zu erzeugen.
6. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fixtur, insbesondere nahe am Werkstück Temperatursensoren (TC3, TC4, TC5, TC6, ) angeordnet sind, welche dazu ausgestaltet sind, eine von dem Werkstück (2) abgestrahlte Temperatur zu erfassen und ein Signal zu erzeugen.
7. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fixtur (1), insbesondere nahe am Werkstück (2) ein Schallsensor (Sl) angeordnet ist.
8. Fixtur (1) nach Anspruch 5, wobei die Volumenstromsensoren
(14) in die Ventile (11) integriert sind.
9. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile gebildet sind durch eine obere Ventilplatte (17) und einer unteren Ventilplatte (18), die gegenüber der oberen Ventilplatte (17) verschiebbar angeordnet ist, um Bohrungen (19) in der unteren Ventilplatte (18) in Überlappung mit Bohrungen (20) in der oberen Ventilplatte (17) zu bringen.
10. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (11) und die Sensoren signalübertragend mit einer Steuereinrichtung (15) gekoppelt sind, die dazu ausgestaltet ist, die von den Sensoren erfaßten Signale zu verarbeiten und daraus Istwerte zu generieren und bei einer Abweichung eines Istwertes von einem Sollwert die Ventile (11) zur Erreichung eines definierbaren steuerbaren örtlichen Volumenstroms (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) differenziert anzusteuern.
11. Fixtur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuereinrichtung (15) ein digitales Model der Fixtur (21) implementiert ist, welches in der Steuereinrichtung (15) verwendet wird, um eine Temperaturverteilung nahe am Werkstück zu antizipieren und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme (Ql, Q2, Q3, Q4 , Q5, Q6) in den jeweiligen Gruppen (Gl, G2, G3, G4, G5, G6) von Kanälen (4) auszugeben.
12. Fixtur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Steuereinrichtung (15) ein digitales Model des Werkstücks (22) implementiert ist, welches in der Steuereinrichtung (15) basierend auf einer Position und einer Richtung der Kanäle (4) eine Strömungsverteilung (15) und eine daraus resultierende Temperaturverteilung am Werkstück (2) antizipiert und Korrekturwerte für die Regulierung der Volumenströme (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) in den jeweiligen Kanälen (4) ausgibt.
13. Verfahren, welches in einer Steuereinheit (15) zur Regelung einer Fixtur (1) hinterlegbar ist, um ein in einer Aufnahme einlegbares Werkstück abzukühlen, gekennzeichnet durch die Schritte : i. Erfassen eines stellenweisen erhöhten oder verringerten Bedarfs einer Abkühlrate an einem in einer Aufnahme (3) der Fixtur (1) eingelegten Werkstück (2), ii. Erstellen eines Regelsollwerts für Regelorgane zur Regelung eines Volumenstroms (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5 oder Q6) in der Fixtur (1) Regeln der Volumenströme (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) an Abschreckmedium in jeweils in der Aufnahme endenden Kanälen, jeweils einzeln oder nach Gruppen gebündelt, um während eines Abschreckvorganges die Abkühlraten dem Werkstück (2) gezielt stellenweise entsprechend des erhöhten oder verringerten Bedarfs zu beeinflussen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte: i. Erfassen einer tatsächlichen Temperatur und einer Abkühlrate durch mindestens einen, vorzugsweise mehrere nahe am Werkstück (2) angeordnete Temperatursensoren (TC3, TC4, TC5, TC6, TC7), und Zuordnung zu einem momentan vorliegenden Regelistwert für Regelorgane (11, 17, 18) zur Regelung der Volumenströme (Ql, Q2, Q3 , Q4 , Q5 , Q6 ) , ii. Erfassen einer idealen Temperatur und einer Abkühlrate, welche idealerweise an dem Werkstück (1) vorliegen müßten, um vordefinierte Werkstoffeigenschaften zu erreichen, anhand eines in einer Steuereinrichtung hinterlegten digitalen Models des Werkstücks (22), iii. Erstellen des Regelsollwerts entsprechen Punkt ii. aus Anspruch 13 basierend auf einer Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der idealen Temperatur.
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Schritte: i. Erfassen eines Geräuschpegels in der Aufnahme (3) anhand eines Schallsensors (Sl), ii. Erfassen eines Druckunterschieds vor und nach dem Werkstück in der Aufnahme (3) durch mehrere Drucksensoren (PI, P2, P3, P4), iii. Ergänzen eines tatsächlichen Zustands des reellen Werkstücks (2) basierend auf dem Druckunterschied und dem Geräuschpegel.
EP20724036.7A 2019-05-09 2020-04-30 Fixtur zum abschrecken und härten eines werkstücks mit gezielt ansteuerbaren kanälen zum zuführen von abschreckmedium Active EP3956483B1 (de)

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