WO1986005820A1 - Process and installation to permit the assembly line thermo-mechanical working, with little deformation of workpieces; also application of the process - Google Patents

Process and installation to permit the assembly line thermo-mechanical working, with little deformation of workpieces; also application of the process

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WO1986005820A1
WO1986005820A1 PCT/CH1986/000028 CH8600028W WO8605820A1 WO 1986005820 A1 WO1986005820 A1 WO 1986005820A1 CH 8600028 W CH8600028 W CH 8600028W WO 8605820 A1 WO8605820 A1 WO 8605820A1
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workpiece
treatment
temperature
cooling
mold
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Application number
PCT/CH1986/000028
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Merz
Original Assignee
Jenny Pressen Ag
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Publication date
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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
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • 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
    • C21D9/02—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for springs

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, furthermore to an installation for carrying out the method and an application of the method.
  • the tempering process generally comprises several treatment steps, namely a hardening treatment by quenching a workpiece heated to the hardening temperature and a subsequent controlled heat treatment, such as tempering, tempering or holding at a predetermined temperature and / or controlled cooling.
  • a sch press In order to prevent a workpiece from undergoing a change in its shape and / or its dimensions, ie warping, during the tempering process, a TOR press is used, in which the workpiece is clamped and quenched in the clamped state, the quenching takes place in the known methods using hardness presses in which the workpiece is washed by a liquid quenching agent.
  • the choice of the quenching agent depends on its heat capacity and the size of the temperature gradient to be set, in particular the quenching speed. Generally used as a liquid deterrent water, salt solutions or oils.
  • spring washers such as those used in the automotive industry for clutches
  • Such disc springs are optionally warmed to the hardening temperature in the oven with prior cold deformation of the blanks and then quenched in an oil bath or in hardening presses, then cooled, cleaned of oil and tempered. With these methods, warping cannot be avoided.
  • Various post-treatment methods are cumbersome and costly and do not yet bring about any significant improvement.
  • disc springs which have lamellae projecting radially inwards from an outer, closed ring part, the end parts of which must have a greater hardness than the rest of the plate springs, is particularly problematic and costly.
  • workpieces In order to produce areas of different hardness, such workpieces must be subjected to a separate treatment after the hardening process has been completed.
  • the areas in which greater hardness is to be achieved are either coated with a resistant material, for example molybdenum, or hard chrome-plated or the disc spring is subjected to a second complete hardening treatment for the area of greater hardness.
  • Such additional treatments are cumbersome and expensive in each case and involve a further risk of warping the disc spring.
  • the structure of a workpiece obtained with the aid of a thermomechanical treatment determines its mechanical properties, such as hardness, toughness, mechanical resistance, fatigue strength.
  • the formation of a certain structure depends in addition to the composition mainly on the metallurgical parameters used in the course of the heat treatment. Thus, only if they are precisely adjusted and adhered to can the formation of a structure which is equipped with the required properties be achieved.
  • the long heating-up and cooling-down times to be used in these methods, the long delivery times between the individual treatment stations and the difficulty in precisely controlling the time-temperature profile have proven to be disadvantageous in the previously known methods.
  • Known processes allow reduced work, time and energy expenditure and offer the possibility of obtaining products with a predetermined structure and the desired properties, and their use enables in particular a rational manufacture of disc springs.
  • the object is achieved according to the invention by the methods defined in the characterizing part of claims 1 and 11 and by the system defined in the characterizing part of claim 15 and by the application of the method according to claim 30.
  • Another advantage of this method is that the third treatment stage, ie the tempering treatment, is carried out immediately after the second treatment stage, the quenching process, and the workpiece is subjected to a tempering treatment in the clamped state without intermediate cooling and / or intermediate treatment.
  • the formation of stress cracks can be completely avoided by quenching to a predetermined temperature above room temperature and immediately following tempering treatment.
  • Another advantage of the present method is that the workpiece is fed to the fourth treatment stage in the third treatment stage immediately after leaving the tempering device and is subjected to a controlled cooling there in the clamped state. In this way, an excellent dimensional accuracy of the workpiece is guaranteed.
  • Claim 4 describes an advantageous embodiment of the hardening treatment, the heat dissipation can be controlled according to claim 5.
  • Claim 6 describes a particularly precise and adaptable control of heat dissipation.
  • the embodiment according to claim 7 makes it possible to obtain workpieces which are free from stress cracks and which have a structure which has exactly the desired mechanical and metallurgical properties which are required for the intended use in the individual case.
  • a procedure according to claim 9 is particularly advantageous, as a result of which areas of different hardness can be achieved in a workpiece with a single tempering treatment.
  • the embodiment of the method according to claim 10 allows precise control of the process sequence in accordance with a program or a program determined and enables practically complete automation thermomechanical treatment. Whether the workpieces are transported from a treatment station with the aid of conveying devices, which is generally preferred, or whether the workpieces are allowed to pass through the individual stations under the influence of gravity essentially depends in individual cases on the dimensions of the work to be treated ⁇ pieces.
  • the method according to claim 11 is characterized by particular simplicity, since in this case only two treatment stations are required.
  • the inductive heating in the 1st stage is carried out in the same way as in the method according to claim 1.
  • the cooling in the hardening press is also carried out in the same way as in the method according to claim 1, with the exception that the quenched workpiece is subjected to a tempering treatment and / or a regulated, in particular delayed cooling in the hardening press.
  • the setting of the temperature-time profile according to a predetermined metallurgical program determined by tests and / or by calculation allows an exact adaptation to the required values.
  • This configuration has the particular advantage that the measure can be integrated into the process sequence without difficulty and can be incorporated into the process control. This represents a significant advance over conventional processes, since in these processes the finished springs had to be additionally warmed up before assembly. The warming, with the springs being treated in packages in an oven at 150 to 220 ° C. for 1 to 2 hours, was carried out manually and thus required a considerable amount of time and work.
  • the heating device can be designed in any way. However, a design according to claim 16 is particularly preferred. This enables the workpieces to be heated with a high degree of uniformity and with a precisely adjustable temperature / time sequence. Depending on the requirements in the individual case, the heating device can be operated with medium frequency or with high frequency.
  • the design according to claim 17 is to be preferred for cases in which heating in a protective gas atmosphere, for example in nitrogen, is expedient.
  • the embodiment according to claim 18 offers the possibility of a particularly clean working method, since the use of quenching agents which pollute the workpieces and / or the environment, such as oil or salt solutions, can be dispensed with.
  • the dimensional accuracy of the hardened workpiece can be improved, the design according to claim 20 allowing exact control of the temperature / time profile and its adaptation to the respective requirements.
  • the design according to claim 21 enables locally differentiated heating during the tempering process, as a result of which areas of different hardness can be achieved on the workpiece, the desired effect being further enhanced by the design according to claim 22.
  • the embodiment according to claim 23 permits a particularly gentle cooling of the shaped, hardened and tempered workpieces and enables the workpieces to be put to use immediately after leaving the system without further aftertreatments.
  • the embodiment according to claim 24 is particularly advantageous for smaller, flat workpieces, since it enables the workpieces to be conveyed from treatment station to treatment station in a particularly expedient manner.
  • the system can also be designed such that the workpieces are arranged horizontally in the individual treatment stations and are also conveyed horizontally from one treatment station to another.
  • thermomechanical treatment of very small flat workpieces e.g. with a diameter of a few centimeters
  • an embodiment of the system according to claim 28 is advantageous.
  • the heating device, the hardening press and the starting device are connected in direct descending order in such a way that the workpieces pass through the individual stations under the influence of gravity. In this way, a particularly rapid and contact-free transport of the workpieces is achieved.
  • the embodiment according to claim 29 enables a fully automatic thermomechanical heat treatment of workpieces from the blank to the ready-to-use shaped workpiece with the desired structure and the desired properties.
  • the application of the method and the system for the production of disc springs according to claim 30 offers extraordinary advantages, since it is now possible for the first time to harden disc springs in one operation and this with a previously unknown shape accuracy and quality, so that such tel spring can be used without further treatment.
  • disc springs can also be produced according to claim 31, which have a greater hardness at the ends of the lamella than in the other areas.
  • Figure 1 Temperature / time diagram for a thermo-mechanical treatment
  • FIG. 5 a block diagram of a system for the standard thermomechanical treatment of flat workpieces
  • FIG. 6 a plate spring as an example of a workpiece to be produced using the system
  • Figure 7 the plate spring in longitudinal section VII-VII of Figure 6;
  • FIG. 8 a conveying device for transferring workpieces between the treatment stations, in a view transverse to the conveying direction;
  • FIG. 9 the conveyor device according to FIG. 8 in view in the conveying direction.
  • FIG. 10 Block diagram of another system for the series thermomechanical treatment of flat workpieces.
  • the diagram in FIG. 1 shows the temperature-time sequence in the thermomechanical treatment of a flat workpiece, in which a workpiece which is in the form of a blank is optionally subjected to hot forming, hardened, tempered and cooled in a controlled manner , can be seen.
  • the etalurgical parameters required to carry out the thermomechanical treatment in the individual case are determined before the method is carried out by tests or arithmetically on the basis of the structure to be achieved and entered into a central program control device.
  • This as a blank workpiece is heated to from indutkiv Austenitisierun 'gs' temperature T and press transferred while maintaining the temperature T to a Härte ⁇ and introduced into this, shaped and gleich ⁇ time quenched to a temperature T.
  • the workpiece is then transported to a tempering device while maintaining the temperature T-, introduced therein and heated to a temperature T_ in the clamped state, transported to a cooling device while maintaining the temperature and introduced into the latter and in the clamped state to room temperature cooled down.
  • the time course of the temperature during the heating to the austenitizing temperature T follows the solid line from P_ to P., that during the transfer to the hardness press the solid line from P 1 to P.
  • the time course of the temperature during the quenching from the temperature T to the temperature T corresponds to the solid line from P 'to P 3 , while during the transfer into the starting device the line from P "to P. follows.
  • the time course of the temperature during the heating in the starting device follows the line from P to P_, while that during the transfer from the starting device to the cooling device corresponds to the solid line from P_ 3 to PO_.
  • the temperature profile over time during the cooling to room temperature follows the solid line of
  • P3_ from P4.
  • na.ch are P_5 and from? b_ to? _7.
  • the diagram shown in FIG. 2 shows the temperature / time sequence in the heat treatment of a workpiece by direct tempering, as is preferably used in cases in which a high surface hardness is to be obtained.
  • the metallurgical parameters required for carrying out the method are determined by tests before the method is carried out.
  • the workpiece which is heated to a temperature T, is clamped in a hardening press to avoid changes in shape and quenched within a period of time determined by tests and lasting a few seconds.
  • the surface temperature is reduced to the temperature T 1 _ and the core temperature to the temperature T _.
  • the time course of the surface temperature corresponds to the solid line from P to P 1?> While the time course of the core temperature follows the dashed line from P. to P. _.
  • the surface temperature is then increased to the temperature T, the tempering temperature, by the residual heat present and by supplying heat from the outside.
  • the temperature curve during heating corresponds to the solid line of P 1? according to P 1 . that during the subsequent cooling of the connecting line between P _ and P-, 4 - FIG. 3 shows the temperature / time sequence during an isothermal heat treatment, as is preferably used to achieve a structure with medium hardness and high toughness and wear resistance.
  • the metallurgical parameters required for carrying out the method are determined beforehand by tests.
  • the workpiece, heated to a temperature T is clamped in a hardening press to avoid changes in shape and quenched to a temperature T- over a period of time determined by tests and lasting a few seconds.
  • the temperature curve corresponds to the solid line of P ? after P p? - Then the workpiece is moved during one of the distances P ?? to P _ corresponding time period at the temperature T- and then. Allow to cool.
  • the diagram shown in FIG. 4 shows the temperature / time sequence during a heat treatment referred to as BY treatment, which is preferably used when the mechanical end values are to be achieved with a single heat treatment operation.
  • BY treatment the workpiece heated to a temperature T is clamped in a hardness press to avoid changes in shape and quenched to a temperature T during a period of time determined by tests and lasting a few seconds.
  • the time course of the temperature corresponds to the solid line from P "to P p - the workpiece is then subjected to a controlled, in particular delayed, cooling to a temperature T".
  • the temperature profile over time corresponds to the solid line of
  • FIG. 5 shows a system which is suitable for hardening flat workpieces with a small thickness and small to medium dimensions.
  • the system has the following essential components:
  • a starting device 6 as a third treatment station; . .. ...
  • a cooling device 8 as a fourth treatment station.
  • the heating device 2, the hardening press 4, the tempering device 6 and the cooling device 8 are arranged horizontally next to one another, in such a way that workpieces 10 to be treated are in the direction of the arrows F 1, F 2 and F from the first to the fourth treatment station can be transported and driven into the individual treatment stations from below.
  • the heating device 2 is designed as a plate inductor 12 with two plates 14 and 16 lying opposite one another, the plates 14 and / or 16 being equipped with retractable stops 18, for example retractable or fold-out ceramic pins, for holding the workpiece 10.
  • the plates 14 and 16 are subjected to energy by means of a resonant circuit 20.
  • a measuring sensor 22 is provided for the contactless measurement of the final temperature. The measured values supplied by the sensor 22 are fed into a central process control device.
  • the heating device 2 can be equipped with a protective gas device 2 ′ 4, indicated by dashed lines, for heating in a protective gas atmosphere.
  • the hardness press 4 is arranged at the same height with a coolable mold 26.
  • This has a first horizontally displaceable molded part 28, which is equipped with a cooling device 30 for indirect cooling, and a second, fixed molded part 32 arranged at the same height, which is equipped with a second cooling device 34 for indirect cooling. on.
  • the first cooling device 30 and the second cooling device 34 are expediently connected to a common coolant circuit which can be connected to a control device for regulating “the coolant temperature ” .
  • the tempering device 6 with a heatable mold 38 is arranged at the same height next to the hardening press 4.
  • This consists of a horizontally displaceable first molded part 40 which can be heated by means of a first heating device 42 and a second molded part 44 which can be heated by means of a second heating device 46.
  • Retractable stops or centering mandrels 48 are provided for holding the workpiece 10.
  • the second molded part 44 is provided with a recess 50, through which a direct heat transfer is avoided.
  • a feed device 51 is provided for blowing in compressed air.
  • the first heating device 42 and the second heating device 46 are connected to a control unit 52 for controlling the temperature / time profile.
  • the cooling device 8 with a coolable mold 56 is arranged at the same height.
  • the structure of the latter essentially corresponds to the hardness press 4 and is intended to cool a molded workpiece 54 arriving from the tempering device 6 without distortion in a clamped state and with a controlled temperature / time profile guarantee.
  • the coolable mold 56 has a first horizontally displaceable molded part 58 which is equipped with a first cooling device 60 for indirect cooling, and a second molded part 62 which is arranged at the same height and which is equipped with a second cooling device 64 for indirect cooling is on.
  • retractable stops or centering mandrels 66 are provided for holding the workpiece 54.
  • Cooling devices 64 are expediently connected to a common coolant circuit, which can be connected to a control device for regulating the coolant temperature.
  • the system is preferably used for the production of workpieces with a small thickness, for example a plate spring 68 according to FIG. 6.
  • the plate spring 68 has an outer closed ring part 70 and a central opening 72, from which radially extending incisions extend as far as the ring part, whereby lamellae 74 extending radially to the opening 72 are formed.
  • the plate spring has 68 zones of different hardness.
  • the hardness in the ring part 70 and an adjacent area 76 of the slats 74 is a hardness of approximately 42 to 45 HRC and in an area 78 adjoining the central opening 72 is a hardness -
  • the plate spring 68 is produced in the following way:
  • the heating device 2 which contains the plate inductor 12, a punch is made from sheet steel with a thickness of 1.5 to 2.5 mm and is provided as a plate spring 68 which is present as a blank.
  • the plate spring 68 can be removed, for example with the aid of magnetic grippers, from a supply of blanks stacked on a support, for example a rotatable rotary table, and inserted into the plate inductor 12 from below.
  • the retractable stops 18 hold the telescopic spring 68 between the plates 14 and 16 of the plate inductor.
  • the stops 18 are preferably so made ⁇ forms, may be that the disc spring 68 eht during heating gedr '.
  • the plate inductor is acted upon by the oscillating circuit 20 with 60 kVA, for example, and heats the plate spring 68 to its austenitizing temperature of 900 to 1100 C.
  • the temperature curve until the ausdenitizing temperature is reached is monitored by the sensor 22.
  • the sensor 22 is designed in such a way that it permits non-contact temperature measurement.
  • the measured values obtained are entered into a central program control device and can be tracked on a monitor and compared with the course of the heating curve calculated for a specific structure and / or determined by tests.
  • the plate spring 68 is released downward by withdrawing the reversible stops 18 and by means of a first conveying device 80 according to FIG. 8 to the second one Treatment station that transports hardness press 4.
  • the plate spring 68 is inserted from below into the indirectly cooled mold 26 of the hardening press 4 and is held there by means of the centering mandrel 36.
  • the mold 26 is closed, the plate spring 68 is clamped in and in accordance with the shape of the mold 26 using a pressure of, for example, 6 Mp in the desired in the figures 6 and 7 brought shape.
  • the flat blank is deformed in the shape of a cone.
  • the first molded part 28 is kept at the temperature required for quenching by means of the cooling device 30, as is the second molded part by means of the second cooling device 34.
  • the temperature can be set and maintained in such a way that the two cooling devices are connected to a common coolant circuit equipped with a control device for temperature regulation.
  • the temperature to be set in the individual case depends on the mechanical properties to be achieved and thus on the desired structure and can be determined by calculation or by experiment.
  • the hardened plate spring 68 is released downward and transported by means of a second conveyor device 82, which corresponds to the first one, to the third treatment station, the starting device 6, and clamped there in the heatable mold 38.
  • the clamping takes place by horizontal displacement of the first molded part 40, which is heated to the tempering temperature by means of the first heating device 42, in the direction of the second molded part 44, which is heated to the tempering temperature by means of the second heating device 46.
  • the dial spring 68 has a higher hardness in the area 78 than in the other areas.
  • the heating devices 42 and 46 are also connected to the control unit 52, which allows a precise setting of the starting temperature, for example in the range from 150 to 600 ° C., and the duration of the starting process.
  • the tempering temperature to be set in individual cases and / or the duration of the tempering process depends on the structure to be achieved and the required mechanical properties and can be determined by tests or by calculation. The rule of thumb is that the lower the tempering temperature is selected, the greater the hardness. Martensite embrittlement is avoided in the accelerated tempering process. With short rise times of a few seconds at correspondingly higher temperatures' better mechanical properties are sufficient er ⁇ .
  • the temperature can be monitored by means of a sensor and the measured values obtained can be fed into a central control device.
  • the temperature / time profile can be monitored by means of a monitor and compared with the profile of the heating curve calculated for a specific structure and / or determined by tests.
  • the shaped and hardened disc spring 68 is then released by opening the heatable mold 38 and pulling back the centering mandrel 48 and is fed to the fourth treatment station, the cooling device 8, by means of a third conveying device 84, which corresponds to the first and the second conveying device .
  • This is designed according to the hardness press 4.
  • the plate spring 68 supplied by the conveying device 84 and coming from the starting device is inserted from below into the coolable mold 56 of the cooling device 8 and held there by means of the centering mandrel 66.
  • the mold 56 is closed and the plate spring 68 is clamped and in the clamped state by means of the cooling devices 60 and 64 in accordance with a calculated and / or determined by tests and in a central program control device stored temperature-time curve cooled '.
  • the plate spring 68 is ready for use after cooling and is characterized by a high dimensional accuracy and a uniform structure, it that no additional processing steps must be worfen under ⁇ .
  • FIGS. 8 and 9 show the conveyor device 80, which is particularly suitable for moving preferably upright flat workpieces, such as, in particular, plate springs 68 according to FIGS. 6 and 7.
  • the conveyor device 80 contains a holder 86 with a driver 88, on which three grippers 90 are arranged along a circular arc, the radius of which corresponds to that of the disc springs.
  • the three grippers are provided with a material with reduced thermal conductivity at least on the fork-like part interacting with the plate spring.
  • the holder 86 is arranged on a parallelogram guide 92, which has two parallelogram arms 94, which are connected on the one hand via bearings 96 to the holder 86 and on the other hand via shafts 98 to the frame 100 of the system.
  • Set screws 102, 104 for adjusting the end positions of the driver 88 are arranged on the parallelogram arms 94.
  • a drive device 106 is connected to a shaft 98 and is preferably connected to the central program control device.
  • the driver 88 of the conveyor device executes a curved movement, which in the present case is in the form of a circular arc.
  • the driver drives into a treatment station from below, grips the lower part of a workpiece, for example a disc spring, which, after taking back stops in the treatment station, extends freely downwards, along an arc to the next treatment station and can be retracted there from below. After the stops have been set in the treatment station, the workpiece is held in place and the driver can freely pivot back down to the previous treatment station and pick up a new workpiece.
  • the system can also be designed in such a way that the workpieces are arranged horizontally during the individual treatment steps and not upright as described in the previous example. The horizontal arrangement is particularly recommended for workpieces with larger dimensions, for example a diameter of approximately 0.5 m or more.
  • the block diagram in FIG. 10 shows a system which is suitable for hardening flat workpieces with a small thickness.
  • the system has the following essential components:
  • a hardening press 112 as a second treatment station
  • the loading device 108, the heating device 110, the hardening press 112, the tempering device 114 and the discharge device 116 are arranged vertically one above the other, in such a way that the workpieces pass through the system in free fall.
  • the loading device 108 has a magazine -118 for receiving the workpieces 120 and is equipped with a prestressing device 122 by means of which the workpieces 120 are biased against an outlet side 124 and can be moved in the direction of a slot-shaped outlet opening 126.
  • This expediently has a gap width which is greater than the thickness of a workpiece 120 but smaller than twice the thickness of the workpiece 120.
  • the heating device 110 which is preferably designed as a plate inductor 130 with two mutually opposing plates 132 and 134, is arranged below the outlet opening 126, the plates 132 and / or 134 for holding the workpiece .120 with retractable stops 136, for example retractable or fold-out ceramic pins are equipped.
  • the heating device 110 can be equipped with a protective gas device 138, indicated by broken lines, for heating in a protective gas atmosphere.
  • the hardening press 112 with a coolable mold 140 is arranged below the heating device 110.
  • This has a first horizontally displaceable molded part 142, which is equipped with a first cooling device 144 for indirect cooling, and a second, fixed molded part 146 arranged at the same height, which is equipped with a second cooling device 148 for indirect cooling is on.
  • the first cooling device 144 and the second cooling device 148 are expediently connected to a common coolant circuit, which can be connected to a control device for regulating the coolant temperature.
  • the tempering device 114 with a heatable mold 152 is arranged below the hardening press 112.
  • This consists of a horizontally displaceable first molded part 154, which can be heated by means of a first heating device 156, and a second molded part 158, which can be heated by means of a second heating device 160.
  • a centering mandrel 162 is provided for holding the workpiece 120.
  • the second molded part 158 is provided with a recess 164 through which a direct heat transfer is avoided.
  • a feed device 156 is provided for injecting compressed air.
  • the first Schuvorrich 'Tung 156 and the second Schu ⁇ device 160 are connected to a control unit 168 for Steue ⁇ tion of the temperature / time curve connected.
  • the discharge device 116 ' for example, is a conveyor 170, preferably a winning ⁇ band 172, for discharging finished workpieces 174 arranged.
  • the conveyor belt 172 can simultaneously be designed as a cooling section for the shaped and hardened workpieces 174.
  • the system is preferably used for the production of workpieces with a small thickness and very small dimensions in the range of a few centimeters.
  • thermomechanical treatment is carried out without using a protective gas atmosphere.
  • the first treatment station that is to say the plate inductor, or the entire system with a protective gas device.
  • Technical nitrogen is particularly suitable as protective gas.

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Description

Verfahren und Anlage zur serienmässigen, verzugsarmen thermomechanischen Behandlung von Werkstücken sowie An¬ wendung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ferner eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens.
Zur Erzielung der für den jeweiligen Verwendungszweck er¬ forderlichen Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Verschleiss- festigkeit, Dauerfestigkeit, werden üblicherweise Werkstücke aus härtbaren metallischen Werkstoffen, insbesondere Eisen¬ werkstoffen, wie Stähle, einem Vergüt-ungsprozess unterworfen. *Der Vergütungsprozess umfasst im allgemeinen mehrere Behand¬ lungsschritte, und zwar eine Härtebehandlung durch Ab¬ schrecken eines auf Härtetemperatur erwärmten Werkstückes und eine anschliessende geregelte Wärmebehandlung, wie An¬ lassen, Tempern oder Halten bei einer vorgegebenen Temperatur und/oder geregeltes Abkühlen.
Um zu verhindern, dass ein Werkstück während des Vergütungs¬ prozesses eine Aenderung seiner Form und/oder seiner Abmes¬ sungen erleidet, d.h. sich verzieht, wird eine Kärtepresse vorwendet, in welche das Werkstück eingespannt und in einge¬ spanntem Zustand abgeschreckt wird, das Abschrecken erfolgt bei den bekannten Verfahren unter Verwendung von Härtepressen in denen das Werkstück von einem flüssigen Abschreckmittel umspült wird. Die Wahl des Abschreckmittels richtet sich da¬ bei nach seiner Wärmekapazität und nach der Grosse des einzu¬ stellenden Temperaturgefälles, insbesondere der Abschreckge¬ schwindigkeit. Allgemein werden als flüssige Abschreckmittel wasser, Salzlösungen oder Oele verwendet. Bei der Verwendung flüssiger Abschreckmittel, insbesondere von Salzlösungen oder Oelen, wirkt es sich nachteilig aus, dass das mit dem Ab¬ schreckmittel verunreinigte Werkstück nach dem Abschrecken annähernd auf Raumtemperatur abgekühlt und gewaschen werden muss, bevor es dem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt*, z.B. Erwärmen auf Anlasstemperatur, unterworfen werden kann. Diese Zwischenbehandlung des Waschens ist nicht nur zeit¬ raubend und arbeitsintensiv, sondern kann nicht zuletzt auch zu Spannungen und einem Verziehen der Werkstücke führen.
Besonders umständlich ist das Herstellen und Härten von Tel¬ lerfedern, wie sie beispielsweise in der Autoindustrie für Kupplungen verwendet werden. Solche Tellerfedern werden ge¬ gebenenfalls unter vorhergehender Kaltverformung der Rohlinge im Ofen auf Härtetemperatur erwärmt und dann im Oelbad oder in Härtepressen abgeschreckt, dann abgekühlt, von Oel ge¬ reinigt und angelassen. Bei diesen Verfahren lässt sich ein Verziehen nicht vermeiden. Verschiedene Verfahren der Nachbe¬ handlung sind umständlich und kostspielig und erbringen den¬ noch keine wesentliche Verbesserung.
Ganz besonders problematisch und kostspielig ist die Herstel¬ lung von Tellerfedern,, welche von einem äusseren, geschlos¬ senen Ringteil radial nach innen ragende Lamellen aufweisen, deren Endteile eine grössere Härte aufweisen müssen als der übrige Teil der Tellerfedern. Um Bereiche unterschiedlicher Härte zu erzeugen, müssen derartige Werkstücke nach dem Ab- schluss des Härteverfahrens einer gesonderten Behandlung unterworfen werden. Entweder werden die Bereiche, in denen eine grössere Härte erzielt werden soll, mit einem wider¬ standsfähigen Material, z.B. Molybdän, beschichtet oder hart- verchromt oder die Tellerfeder wird für den Bereich grösserer Härte einer zweiten vollständigen Härtebehandlung unter¬ worfen. Solche Zusatzbehandlungen sind in jedem Falle umständ¬ lich und kostspielig und beinhalten eine weitere Gefahr des Verziehens der Tellerfeder.
Bekanntlich bestimmt das Gefüge eines mit Hilfe einer thermo- mechanischen Behandlung erhaltenen Werkstückes dessen mecha¬ nischen Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, mechanische Widerstandfähigkeit, Dauerfestigkeit. Die Bildung eines be¬ stimmten Gefüges hängt aber seinerseits ausser von der Zu¬ sammensetzung hauptsächlich von den im Zuge der Wärmebehand¬ lung zur Anwendung kommenden metallurgischen Parametern ab. So kann nur bei deren exakter Einstellung und Einhaltung die Bildung eines Gefüges erreicht werden, das mit den geforder¬ ten Eigenschaf en ausgestattet ist. Als nachteilig bei den bisher bekannten Verfahren haben sich insbesondere die bei diesen Verfahren anzuwendenden langen Aufheiz- und Abkühl¬ zeiten, die langen Förderzeiten zwischen den einzelnen Behand¬ lungsstationen und die Schwierigkeit, den Zeit-Temperaturver¬ lauf exakt zu steuern, erwiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anlage anzugeben, die eine serienmässige, verzugsarme, thermo- mechanische Behandlung von flächigen Werkstücken, insbe¬ sondere solchen mit geringer Dicke und gegebenenfalls Be¬ reichen unterschiedlicher Härte, mit im Vergleich zu den be¬ kannten Verfahren verringertem Arbeits-, Zeit- und Energieauf¬ wand gestatten und die Möglichkeit bieten, Produkte mit einem vorgegebenen Gefüge und den angestrebten Eigenschaften zu er¬ halten, und deren Anwendung insbesondere eine rationelle Her¬ stellung von Tellerfedern ermöglicht. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kenn¬ zeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 11 definierten Verfahren und durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 15 defi¬ nierte Anlage und durch die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 30 gelöst.
Die Anwendung einer induktiven Erwärmung, die extrem kurze Aufheizzeiten von nur wenigen Sekunden gestattet und exakt gesteuert werden kann, in der ersten Behandlungsstation führt zu einer beträchtlichen Verminderung des Zeitaufwandes im σ
Vergleich zur herkömmlichen Erwärmung in einem Ofen. Dies stellt einen besonderen Vorteil des* vorliegenden Verfahrens dar.
Da bei diesem Verfahren das zu behandelnde Werkstück in der Härtestufe nicht mit flüssigen Abschreckmitteln, wie Oele oder wässrige Salzlösungen, in Berührung kommt, entfällt die bei den bekannten Verfahren notwendige umständliche und kost¬ spielige Zwischenbehandlung, wie Abkühlen auf eine beträcht¬ lich unterhalb der Anlasstemperatur liegende Temperatur, im allgemeinen auf annähernd Raumtemperatur, und Waschen und Entfernung anhaftender Abschreckmittel, wie Oele oder wässri¬ ge Salzlösungen. Auf diese Weise lässt sich eine erhebliche Reduktion des Arbeits- und Energieaufwandes im Vergleich zu den bekannten Verfahren, erreichen und eine Belastung der Um¬ welt praktisch vollständig vermeiden.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass die dritte Behandlungsstufe, d.h. die Anlassbehandlung, unmittelbar im Anschluss an die zweite Behandlungsstufe, den Abschreckvorgang, durchgeführt und das Werkstück ohne Zwischenkühlung und/oder Zwischenbehandlung in eingespanntem Zustand einer Anlassbehandlung unterworfen wird. Durch Abschrecken auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb Raumtemperatur und unmittelbar anschliessende Anlassbehand¬ lung kann die Bildung von Spannungsrissen vollständig ver¬ mieden werden.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist darin zu sehen, dass das Werkstück unmittelbar nach dem Verlassen der Anlasseinrichtung in der dritten Behandlungsstufe der vierten Behandlungsstufe zugeführt und dort in eingespanntem Zustand einer geregelten Abkühlung unterworfen wird. Auf diese Weise wird eine ausgezeichnete Masshaitigkeit des Werk¬ stückes gewährleistet.
Als ganz besonderer Vorteil ist hervorzuheben, dass es durch die Einstellung 'des Temperatur-Zeit-Verlaufes während der einzelnen Behandlungsschritte mittels- einer zentralen Pro- grammsteuerung entsprechend einem vorgegebenen, durch Ver¬ suche und/oder rechnerisch ermittelten Programm gelingt, ge¬ zielt Produkte zu erhalten, die das erwünschte Gefüge in aus¬ gezeichneter Qualität besitzen, frei von Spannungsrissen sind und deren Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Verschleiss- festigkeit, Dauerfestigkeit, genau den gestellten Anforderun¬ gen entsprechen und die bisher erzielbaren Ergebnisse über¬ treffen. Insbesondere ist die Möglichkeit gegeben, durch eine genaue Einstellung der Abschr.eck-Endtemperatur eine exakte Einstellung des gewünschten Gefüges vorzunehmen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den An¬ sprüchen 2 bis 10 und 12 bis 14, der Anlage in den Ansprüchen 16 bis 29 und der Anwendung im Anspruch 31 beschrieben.
Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich des Gefüges und der Eigenschaften des Werkstückes lassen sich mit Hilfe der Aus¬ gestaltung nach Anspruch 2 erreichen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zeit zur Förderung der Werkstücke von Behandlungsstation zu Behandlungsstation äusserst kurz ist, um Wärmeverluste, insbesondere zwischen der Erwärmungsstation und der Härtestation zu vermeiden. Hier¬ zu ist eine Ausgestaltung nach Anspruch 3 von Vorteil. Die Förderzeit zwischen den Behandlungsstationen wird dabei so eingestellt, dass keine schädliche Gefügeänderung im Werk¬ stück auftritt. Die Förderzeit kann für grosse und dicke Werk¬ stücke grössef sein als für dünne und kleine.
Anspruch 4 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Härtebehandlung, dabei kann die Steuerung der Wärmeabführung gemäss Anspruch 5 erfolgen.
Eine besonders genaue und anpassungsfähige Steuerung der Wärmeab ührung beschreibt Anspruch 6.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 ermöglicht es Werkstücke zu erhalten, die frei von Spannungsrissen sind und die ein Ge¬ füge aufweisen, das exakt die angestrebten mechanischen und metallurgischen Eigenschaften besitzt, die für den im Einzel¬ fall beabsichtigten Verwendungszweck erforderlich sind.
Schliesslich ist es möglich, die Ausbildung von Spannungen im Werkstück dadurch zu vermeiden, dass man gemäss Anspruch 8 den Pressdruck der Härtepresse periodisch verändert.
Ganz besonders vorteilhaft ist ein Vorgehen nach Anspruch 9, wodurch sich mit einer einzigen Anlassbehandlung in einem Werkstück Bereiche unterschiedlicher Härte erzielen lassen.
Die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 10 erlaubt eine exakte Steuerung des Verfahrensablaufes entsprechend einem rechnerisch oder durch Versuche ermittelten Programm und ermöglicht eine praktisch vollständige Automatisierung der thermomechanischen Behandlung. Ob dabei die Werkstücke mit Hilfe von Fördervorrichtungen von einer Behandlungsstati¬ on transportiert werden, was allgemein bevorzugt ist, oder ob man die Werkstücke die einzelnen Stationen unter.dem Einfluss der Schwerkraft durchlaufen lässt, hängt im Einzelfall im wesentlichen von den Abmessungen der zu behandelnden Werk¬ stücke ab.
Das Verfahren nach Anspruch 11 zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, da in diesem Fall nur zwei Behandlungsstati¬ onen erforderlich sind. Die induktive Erwärmung in der 1. Stufe erfolgt dabei in gleicher Weise wie bei dem Verfahren nach Anspruch 1. Die Abkühlung in der Härtepresse wird eben¬ falls in der gleichen Weise wie bei dem Verfahren nach An¬ spruch 1 vorgenommen, mit der Ausnahme, dass das abgeschreck¬ te Werkstück in der Härtepresse einer Anlassbehandlung und/- oder einer geregelten, insbesondere verzögerten Abkü lung unterworfen wird. Auch in diesem Fall erlaubt die Einstellung des Temperätur-Zeit-Verlaufes entsprechend einem vorgegebe¬ nen, durch Versuche und/oder rechnerisch ermittelten metallur¬ gischen Programm eine exakte Anpassung an die geforderten Werte .
Als vorteilhaft haben sich dabei die Ausgestaltung nach An¬ spruch 12, bei der das Werkstück nach dem Abschrecken einer isothermen Wärmebehandlung unterworfen wird, und die Ausge¬ staltung nach Anspruch 13, die sogenannte BY-Behandlung, er¬ wiesen. Letztere ergibt allgemein ein Gefüge mit hoher Härte bei hoher Zähigkeit und/oder Verschleissfestigkeit.
Um die Alterungsbeständigkeit der nach dem Verfahren der ein¬ gangs erwähnten Art hergestellten Werkstücke zu erhöhen und insbesondere im Falle von Kupplungsfedern einem Nachlassen der Federkraft während des Betriebes durch die durch die Wärmeentwicklung des Motors verursachte Wärmebelastung vorzu- beugen, empfiehlt sich die Ausge caltung nach Anspruch 14. Durch das kurzzeitige, in der Regel einige Sekunden dauernde Flach- oder Ueberdrücken des auf 200 C abgekühlten Werk¬ stückes und das nachfolgende Abkühlen in gespanntem Zustand wird eine künstliche Alterung bewirkt, durch die eine erheb¬ liche, bis zu 50%ige, Verbesserung der Alterungsbeständigkeit und damit der Federcharakteristik erreicht werden kann.
Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, dass die Mass- nahme ohne Schwierigkeiten in den Verfahrensablauf integriert und in die Prozesssteuerung einbezogen werden kann. Dies stellt gegenüber herkömmlichen Verfahren einen erheblichen Fortschritt dar, da bei diesen Verfahren ein zusätzliches Warmsetzen der fertigen Federn vor der Montage vorgenommen werden musste. Das Warmsetzen, wobei die Federn paketweise in einem Ofen bei 150 bis 220 C während 1 bis 2 Stunden be¬ handelt wurden, erfolgte manuell und erforderte somit einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand.
Diese Anlage. bringt im Vergleich zu bekannten Anlagen erheb-' liehe Vorteile, da die zu härtenden Werkstücke aufgrund der unmittelbar aufeinanderfolgenden Anordnung der Erwärmungsein¬ richtung, der Härtepresse, der Anlasseinrichtung und der Kühl¬ einrichtung die zwischen den einzelnen Behandlungsstationen liegenden Wege mit minimalem Zeitaufwand zurücklegen können, so dass Störungen, die durch eine ungewollte örtliche Abküh¬ lung verursacht werden, gänzlich vermieden werden können und eine kontinuierliche thermomechanische Behandlung in einem Arbeitsgang möglich ist.. Ueberdies zeichnen sich die gehärte¬ ten Werkstücke durch eine hohe Massgenauigkeit und ein gleich- massiges und sehr feinkörniges Gefüge aus. Dies erbringt nicht nur eine weitgehende Reduktion des Arbeits- und Kosten¬ aufwandes, sondern führt insbesondere zur Vermeidung der beim Einsatz bekannter Anlagen auftretenden Nachteile, wie schlech¬ te Masshaltigkeit und unregelmässiges Gefüge der Werkstücke sowie zusätzliche Formgebungs-, Wärmebehandlungs-, Reini- gungs-, Härte- und Anlassschritte. Die Erwärmungseinrichtung kann beliebig ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung gemäss An¬ spruch 16. Diese ermöglicht eine Erwärmung der Werkstücke mit hoher Gleichmässigkeit und mit genau einstellbarer Tempe- ratur-/Zeitfolge. Entsprechend den im Einzelfall gestellten Anforderungen kann die Erwärmungseinrichtung mit Mittelfre- quenz oder mit Hochfrequenz betrieben werden. Die Ausbildung gemäss Anspruch 17 ist für die Fälle zu bevorzugen, in denen eine Erwärmung in einer Schutzgasatmosphäre, z.B. in Stick¬ stoff, zweckmässig ist.
Die Ausbildung gemäss Anspruch 18 bietet die Möglichkeit einer besonders sauberen Arbeitsweise, da auf die Verwendung von die Werkstücke und/oder die Umwelt verschmutzender Ab¬ schreckmittel, wie Oel oder Salzlösungen, verzichtet werden kann.
Mit einer Ausbildung de'r Anlage nach Anspruch 19 lässt sich die Massgenauigkeit des gehärteten Werkstückes verbessern, wobei die Ausbildung gemäss Anspruch 20 eine exakte Steuerung des Temperatur-/Zeitverlaufes und dessen Anpassung an die jeweils gestellten Anforderungen erlaubt.
Die Ausbildung entsprechend Anspruch 21 ermöglicht eine ört¬ lich differenzierte Erwärmung während des Anlassvorganges, wodurch sich am Werkstück Bereiche unterschiedlicher Härte erzielen lassen, wobei die erwünschte Wirkung durch die Aus¬ bildung nach Anspruch 22 noch verstärkt werden kann.
Die Ausbildung nach Anspruch 23 erlaubt eine besonders schonende Abkühlung der geformten, gehärteten und ange¬ lassenen Werkstücke und ermöglicht es, dass die Werkstücke unmittelbar nach dem Verlassen der Anlage, ohne weitere Nach¬ behandlungen der Verwendung zugeführt werden können. Die Ausbildung nach Anspruch 24 ist insbesondere für kleinere flache Werkstücke von Vorteil, da sie eine besonders zweck- mässige Förderung der Werkstücke von Behandlungsstation zu Behandlungsstation ermöglicht.
Die Anlage kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Werkstücke in den einzelnen Behandlungsstationen liegend ange¬ ordnet sind und auch liegend von einer Behandlungsstation zur anderen gefördert werden.
Für die Förderung der Werkstücke zwischen den einzelnen Be¬ handlungsstationen ergeben sich die verschiedensten Möglich¬ keiten. Besonders zweckmässig ist""e ne Ausbildung nach An¬ spruch 25, wobei sich vorteilhafte Bewegungs-, Beschleuni- gungs- und Verzögerungsverhältnisse ergeben, wenn der Mit¬ nehmer längs einer Kurvenbahn, vorzugsweise längs einer Kreis¬ bahn bewegt wird. Eine sehr einfache Lösung der. Fördervor- richtung beschreibt Anspruch 26. Um Wärmeverlust-; durch die Fördervorrichtung zu vermeiden, ist eine Ausgestaltung nach Anspruch 27 sehr zweckmässig.
Für die thermomechanische Behandlung von sehr kleinen flächi¬ gen Werkstücken, z.B. mit einem Durchmesser von wenigen Zenti¬ metern, ist eine Ausbildung der Anlage nach Anspruch 28 von Vorteil. Bei dieser Ausbildung sind die Erwärmungseinrich¬ tung, die Härtepresse und die Anlasseinrichtung in absteigen¬ der Höhe derart unmittelbar hintereinander geschaltet, dass die Werkstücke die einzelnen Stationen unter dem Einfluss der Schwerkraft durchlaufen. Auf diese Weise wird ein besonders rascher und berührungsfreier Transport der Werkstücke er¬ reicht.
Die Ausbildung nach Anspruch 29 ermöglicht eine vollauto¬ matische thermomechanische Wärmebehandlung von Werkstücken vom Rohling bis zum einsatzbereiten geformten Werkstück mit dem gewünschten Gefüge und den angestrebten Eigenschaften. Die Anwendung des Verfahrens und der Anlage zur Herstellung von Tellerfedern gemäss Anspruch 30 bietet ganz ausserordent- liche Vorteile, da es jetzt erstmals möglich ist, in einem Arbeitsgang Tellerfedern zu härten und dies mit einer bisher nicht bekannten Formgenauigkeit und Güte, so dass solche Tel¬ lerfedern ohne Nachbehandlung wieterverwendet werden können. Im gleichen Arbeitsgang können gemäss Anspruch 31 auch Teller¬ federn hergestellt werden, die an den Lamellenenden eine grössere Härte aufweisen als in den übrigen Bereichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben; dabei zeigen:
Figur 1: Temperatur-/Zeit-Diagramm für eine thermo¬ mechanische Behandlung;
Figur 2: Temperatur-/Zeit-Diagramm für ein direktes
Vergüten;
Figur 3: Temperatur-/Zeit-Diagramm für eine iso¬ therme Wärmebehandlung;
Figur 4: Temperatur-Zei't-Diagramm für eine BY-Be- handlung;
Figur 5: ein Blockdiagramm einer Anlage zur serien- mässigen thermomechanischen Behandlung von ' flächigen Werkstücken;
Figur 6: eine Tellerfeder als Beispiel für ein unter Verwendung der Anlage herzustellen¬ des Werkstück;
Figur 7: die Tellerfeder im Längsschnitt VII-VII der Figur 6;
Figur 8: eine Fördervorrichtung zum Ueberführen von Werkstücken zwischen den Behandlungs¬ stationen, in Ansicht quer zur Förder¬ richtung;
Figur 9: die Fördervorrichtung nach Figur 8 in An¬ sicht in Förderrichtung; und
Figur 10: Blockdiagramm einer anderen Anlage zur serienmässigen thermomechanischen Be¬ handlung von flächigen Werkstücken. Aus dem in Figur 1 dargestellten Diagramm ist die Temperatur- Zeit-Folge bei der thermomechanischen Behandlung eines flächi¬ gen Werkstückes, bei dem ein als Rohling vorliegendes Werk¬ stück gegebenenfalls einer Warmumformung unterwerfe.-., ge¬ härtet, angelassen und geregelt gekühlt wird, ersichtlich. Die für die Durchführung der tehermomechanisehen Behandlung im Einzelfall erforderlichen etalurgischen Parameter werden vor der Durchführung des Verfahrens durch Versuche oder rechnerisch unter Zugrundelegung des zu erzielenden Gefüges ermittelt und einer zentralen Programmsteuerungseinrichtung eingegeben. Das als Rohling vorliegende Werkstück wird dabei indutkiv auf aus Austenitisierun'gs'temperatur T erwärmt und unter Aufrechterhaltung der Temperatur T zu einer Härte¬ presse überführt und in diese eingebracht, geformt und gleich¬ zeitig auf eine Temperatur T abgeschreckt. Danach wird das Werkstück unter Aufrechterhaltung der Temperatur T- zu einer Anlasseinrichtung transportiert, in diese eingebracht und in eingespanntem Zustand auf eine Temperatur T_ erwärmt, unter Aufrechterhaltung der Temperatur zu einer Kühleinrichtung transportiert und in diese eingebracht und in dieser in einge¬ spanntem Zustand auf Raumtemperatur abgekühlt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur während des Erwärmens auf die aus Austenitisierungstemperatur T folgt dabei der ausgezogenen Linie von P_ nach P. , derjen-ige während der Ueberführung zu der Härtepresse der ausgezogenen Linie von P1 nach P . Der zeitliche Verlauf der Temperatur während des Abschreckens von der Temperatur T auf die Temperatur T entspricht der ausge¬ zogenen Linie von P' nach P3, während er während der Ueberfüh¬ rung in die Anlasseinrichtung der Linie von P„ nach P . folgt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur während des Erwärmens in der Anlasseinrichtung folgt der Linie von P nach P_, während derjenige während der Ueberführung von der Anlasseinrichtung zur Kühleinrichtung der ausgezogenen Linie von P_ 3 nach PO_ entspricht. Der zeitliche Temperaturverlauf während des Ab- kühlens auf Raumtemperatur folgt der ausgezogenen Linie von
Figure imgf000016_0001
Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, dass die Teilstrecken von P1, nach P„, von ?3_ nach ?4. und von ?.o nach ?o_ klein im
Vergleich zu den Teilstrecken von Pr nach ?, , von ?_ nac-h
P3_, von P4. na.ch P_5 und von ?b_ nach ?_7 sind.
Aus dem in Figur 2 dargestellten Diagramm ist die Tempera¬ tur/Zeit-Folge bei der Wärmebehandlung eines Werkstückes durch direktes Vergüten, wie es -bevorzugt in den Fällen zur Anwendung kommt, in denen eine hohe Oberflächenhärte erhalten werden soll, ersichtlich. Die für die Durchführung des Ver¬ fahrens erforderlichen metallurgischen Parameter werden vor der Durchführung des Verfahrens durch Versuche ermittelt. Das auf eine Temperatur T erwärmte Werkstück wird.zur Ver¬ meidung von Formänderungen in eine Härtepresse eingespannt und innerhalb einer durch Versuche ermittelten, wenige Sekun¬ den betragenden Zeitspanne abgeschreckt. Dabei werden die Oberflächentemperatur auf die Temperatur T1 _ und die Kern¬ temperatur auf die Temperatur T _ abgesenkt. Der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur entspricht dabei der ausge¬ zogenen Linie von P nach P1?> während der zeitliche Verlauf der Kerntemperatur der gestrichelten Linie von P. nach P. _ folgt. Anschliessend wird die Oberflächentemperatur durch die vorhandene Restwärme und durch Wärmezufuhr von aussen auf die Temperatur T , die Anlasstemperatur, erhöht. Der Temperaturverlauf während des Erwärmens entspricht dabei der ausgezogenen Linie von P1 ? nach P1 . derjenige beim nach¬ folgenden Abkühlen der Verbindungslinie zwischen P _ und P-,4- Aus Figur 3 ist die Temperatur/Zeit-Folge während einer iso¬ thermen Wärmebehandlung, wie sie bevorzugt zur Erzielung eines Gefüges mit mittlerer Härte und hoher Zähigkeit und Verschleissfestigkeit angewendet wird, ersichtlich. Die für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen metallurgi¬ schen Parameter werden zuvor durch Versuche ermittelt. Das auf eine Temperatur T erwärmte Werkstück wird zur Vermei¬ dung von Formänderungen in eine Härtepresse eingespannt und während einer durch Versuche ermittelten, einige Sekunden betragenden Zeitspanne auf eine Temperatur T- abgeschreckt. Der Temperaturverlauf entspricht dabei der ausgezogenen Linie von P? nach Pp?- Dann wird das Werkstück während einer der Strecke P?? bis P _ entsprechenden Zeitspanne auf der Tempera¬ tur T- gehalten und anschliessend .abkühlen gelassen.
Das in Figur 4 dargestellte Diagramm zeigt die Temperatur/ Zeit-Folge während einer als BY-Behandlung bezeichneten Wärme¬ behandlung, die bevorzugt zur Anwendung kommt, wenn die mechanischen Endwerte mit einer einzigen Wärmebehandlungs¬ operation erreicht werden sollen. Bei der BY-Behandlung wird das auf eine Temperatur T erwärmte Werkstück zur Vermeidung von Formänderungen in eine Härtepresse eingespannt und wäh¬ rend einer durch Versuche ermittelten, wenige Sekunden be¬ tragenden Zeitspanne auf eine Temperatur T abgeschreckt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur entspricht dabei der ausgezogenen Linie von P« nach P p- Anschliessend wird das Werkstück einer geregelten, insbesondere verzögerten, Abküh¬ lung auf eine Temperatur T„ unterworfen. Der zeitliche Tem¬ peraturverlauf entspricht dabei der ausgezogenen Linie von
P32 nach P33' Das Blockdiagramm in Figur 5 zeigt eine Anlage, die zur Här¬ tung von flächigen Werkstücken mit geringer Dicke und kleinen bis mittleren Abmessungen geeignet ist.
Die Anlage weist die folgenden wesentlichen Bestandteile auf:
- eine Erwärmungseinrichtung 2 als erste Behandlungs¬ station;
- eine Härt'epresse 4 als zweite Behandlungsstation;
- eine Anlasseinrichtung 6 als dritte Behandlungs¬ station; ......
- eine Kühleinrichtung 8 als vierte Behandlungsstation.
Die Erwärmungseinrichtung 2, die Härtepresse 4, die Anlass- einrichtung 6 und die Kühleinrichtung 8 sind horizontal neben¬ einander angeordnet, und zwar derart, dass zu behandelnde Werkstücke 10 in Richtung der Pfeile F^, F_ und F von der ersten bis zur vierten Behandlungsstation befördert und je¬ weils von unten in die einzelnen Behandlungsstationen einge¬ fahren werden können.
Die Ξrwärmungseinrichtung 2 ist als Platteninduktor 12 mit zwei einander gegenüberstehenden Platten 14 und 16 ausge¬ bildet, wobei die Platten 14 und/oder 16 zur Halterung des Werkstückes 10 mit rücknehmbaren Anschlägen 18, zum Beispiel zurückziehbare oder ausklappbare Keramikstifte, ausgestattet sind. Die Platten 14 und 16 werden mittels eines Schwing¬ kreises 20 mit Energie beaufschlagt. Ausserdem ist ein Mess¬ fühler 22 zur berührungslosen Messung der Endtemperatur vorge¬ sehen. Die vom Messfühler 22 gelieferten Messwerte werden in eine zentrale Prozesssteuerungseinrichtung eingespeist. Weiterhin kann die Erwärmungseinrichtung 2 mit einer ge¬ strichelt angedeuteten Schutzgasvorrichtung 2'4 zum Erwärmen in einer Schutzgasatmosphäre ausgestattet sein.
Neben der Erwärmungseinrichtung 2 ist auf gleicher Höhe die Härtepresse 4 mit einer kühlbaren Form 26 angeordner. Diese weist einen ersten horizontal verschiebbaren Formteil 28, der mit einer Kühleinrichtung 30 zur indirekten Kühlung aus¬ gestattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeord¬ neten feststehenden Formteil 32, der mit einer zweiten Kühl¬ einrichtung 34 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, auf. Ausserdem sind rücknehmbare Anschläge, insbesondere Zentrier¬ dorne 36, zur Halterung des Werkstückes 10 vorhanden. Die erste Kühleinrichtung 30 und die zweite Kühleinrichtung 34 sind zweckmässigerweise an einen gemeinsamen Kühlmittelkreis- lauf angeschlossen, der mit einer Regeleinrichtung zur Regu¬ lierung" der Kühlmitteltemperatur verbunden sein 'kann.
Auf gleicher Höhe neben der Härtepresse 4 ist die Anlassein¬ richtung 6 mit einer beheizbaren Form 38 angeordnet. Diese besteht aus einem horizontal verschiebbaren ersten Formteil 40, der mittels einer ersten Heizvorrichtung 42 beheizbar ist und einem zweiten Formteil 44, der mittels einer zweiten Heizvorrichtung 46 beheizbar ist. Zur Halterung des Werk¬ stückes 10 sind rücknehmbare Anschläge oder Zentrierdorne 48, vorgesehen. Um eine örtlich differenzierte Erwärmung des Werk¬ stückes 10 zu erreichen, ist der zweite Formteil 44 mit einer Ausnehmung 50 versehen, durch die ein direkter Wärmeübergang vermieden wird. Ausserdem ist eine Zuführungseinrichtung 51 zum Einblasen von Pressluft vorgesehen. Die erste Heizvor¬ richtung 42 und die zweite Heizvorrichtung 46 sind mit einer- Steuereinheit 52 zur Steuerung des Temperatur-/Zeitverlaufs verbunden. Anschliessend an die Anlasseinrichtung 6 ist auf gleicher Höhe die Kühleinrichtung 8 mit einer kühlbaren Form 56 ange¬ ordnet. Diese entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der Härtepresse 4 und ist dazu bestimmt, ein verzugsf eies Ab¬ kühlen eines aus der Anlasseinrichtung 6 ankommenden ge¬ formten und vergüteten Werkstückes 54 in eingespanntem Zu¬ stand und mit geregeltem Te.~peratur-/Zeitverlauf zu gewähr¬ leisten. Die kühlbare Form 56 weist einen ersten horizontal verschiebbaren .Formteil 58, der mit einer ersten Kühlein¬ richtung 60 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeordneten Formteil 62, der mit einer zweiten KUhleinrichtung 64 zur indirekten Küh¬ lung ausgestattet ist, auf. Ausserdem sind rücknehmbare An¬ schläge oder Zentrierdorne 66, zur Halterung des Werkstückes 54 vorhanden. Die erste Kühleinrichtung 6*0 und die zweite
Kühleinrichtüng 64 sind zweckmässigerweise an einen gemein¬ samen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, der mit einer Regel¬ einrichtung zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur ver¬ bunden sein kann.
Die Anlage wird bevorzugt zur Herstellung von Werkstücken mit geringer Dicke, beispielsweise einer Tellerfeder 68 ge¬ mäss Figur 6 verwendet. Die Tellerfeder 68 weist einen äus- seren geschlossenen Ringteil 70 und eine zentrale Oeffnung 72 auf, von der sich radial verlaufende Einschnitte bis zum Ringteil erstrecken, wodurch vom Ringteil 70 radial zur Oeff¬ nung 72 verlaufende Lamellen 74 gebildet sind. Wie aus Figur 7 ersichtlich ist, weist die Tellerfeder 68 Zonen unterschied¬ licher Härte auf. So beträgt zum Beispiel die Härte im Ring¬ teil 70 und einem benachbarten Bereich 76 der Lamellen 74 eine Härte von annähernd 42 bis 45 HRC und in einem an die zentrale Oeffnung 72 angrenzenden Bereich 78 eine Härte --
von annähernd 58 bis 60 HRC auf.
Die Herstellung der Tellerfeder 68 geschieht in folgender Weise :
In die erste Ξehandlungsstation, die Erwärmungseinrichtung 2, die den Platteninduktor 12 enthält, wird jeweils eine Aus¬ stanzen aus Stahlblech mit einer Dicke von 1,5 bis 2,5 mm hergestellte, als Rohling vorliegende Tellerfeder 68 einge¬ bracht. Die Tellerfeder 68 kann zum Beispiel mit Hilfe von Magnetgreifern einem auf einer Auflage, zum Beispiel einem drehbaren Rundtisch, aufgestapelten Vorrat an Rohlingen ent¬ nommen und von unten in den Platteninduktor 12 eingefahren werden. Mittels der rücknehmbaren Anschläge 18 wird die Tel¬ lerfeder 68 zwischen den Platten 14 und 16 des Platteninduk¬ tors gehalten. Dabei sind die Anschläge 18 bevorzugt so ausge¬ bildet, dass die Tellerfeder 68 während des Erwärmens gedr'eht werden kann. Der Platteninduktor wird mittels des Schwing¬ kreises 20 beispielsweise mit 60 kVA beaufschlagt und bewirkt eine Erwärmung der Tellerfeder 68 auf ihre Austenitisierungs- temperatur von 900 bis 1100 C. Der Temperaturverlauf bis zum Erreichen der Ausdenitisierungstemperatur wird mittels des Messfühlers 22 überwacht. Der Messfühler 22 ist so ausge¬ bildet, dass er eine berührungsfreie Temperaturmessung er¬ laubt. Die erhaltenen Messwerte werden in eine zentrale Pro- grammsteuereinrichtung eingegeben und können auf einem Moni¬ tor verfolgt und mit dem für ein bestimmtes Gefüge berechne¬ ten und/oder durch Versuche ermittelten Verlauf der Erwär¬ mungskurve abgeglichen werden.
Sobald die Austenitisierungstemperatur erreicht ist, wofür nur wenige Sekunden, zum Beispiel 15 Sekunden, erforderlich sind, wird die Tellerfedεr 68 durch Zurücknehmen der rücknehm¬ baren Anschläge 18 nach unten freigegeben und mittels einer ersten Fördervorrichtung 80 gemäss Figur 8 zu der zweiten Behandlungsstation, der Härtepresse 4 transportiert. Die Tellerfeder 68 wird dort von unten in die indirekt gekühlte Form 26 der Härtepresse 4 eingefahren und wird dort mittels Zentrierdornes 36 gehalten. Durch horizontale Verschiebung des ersten Formteiles 28 in Richtung des zweiten Formteiles » 32 wird die Form 26 geschlossen die Tellerfeder 68 einge spannt und entsprechend der Formgebung der Form 26 unter An¬ wendung eines Druckes von beispielsweise 6 Mp in die ge¬ wünschte, in den Figuren 6 und 7 gezeigte Form gebracht. Da¬ bei wird der plane Rohling kegelmantelförmig verformt. Der erste Formteil 28 wird dabei mittels der Kühlein'richtung 30 auf der zum Abschrecken erforderlichen Temperatur gehalten, desgleichen der zweite Formteil mittels der zweiten Kühlein¬ richtung 34. Die. Einstellung und Aufrechterhaltung der Tempe¬ ratur kann dabei in der Weise erfolgen, dass beide Kühlein¬ richtungen an einen gemeinsamen, mit einer Regeleinrichtung zur Temperaturregulierung ausgestatteten Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Die im Einzelfall einzustellende Tempe¬ ratur hängt dabei von den zu erzielenden mechanischen Eigen¬ schaften und damit dem erwünschten Gefüge ab und kann rechnerisch oder durch Versuche ermittelt werden.
Durch Oeffnen der Form 26 und Zurückziehen des Zentrierdorns 36 wird die gehärtete Tellerfeder 68 nach unten freigegeben und mittels einer zweiten Fördervorrichtung 82, die der ersten entspricht, zur dritten Behandlungsstation, der Anlass¬ einrichtung 6 transportiert und dort in die beheizbare Form 38 eingespannt. Das Einspannen erfolgt dabei durch horizon¬ tale Verschiebung des ersten Formteiles 40, der mittels der ersten HeLzvorrichtung 42 auf Anlasstemperatur aufgeheizt ist, in Richtung des zweiten Formteiles 44, der mittels der zweiten Heizvorrichtung 46 auf Anlasstemperatur aufgeheizt ist. Durch die Ausnehmung 50 im Formteil 44, die in dem an die zentrale Oeffnung 72 angrenzenden Bereich 78 an den frein Enden der Lamellen 74 angeordnet ist, wird eine örtlich dif¬ ferenzierte Erwärmung der Tellerfeder 68 erreicht, derart, dass nur der Bereich des Ringteiles 70 und der -benachbarte Bereicht 76 direkt erwärmt werden, wahrend die Erwärmung des Bereiches 78 ausschliesslich durch Wärmeleitung innerhalb der Tellerfeder 68 erfolgt. Dabei kann eine noch stärkere ört¬ liche Differenzierung der Erwärmung erreicht werden, wenn der Bereich 78 zusätzlich durch Einblasen von Pressluft mit¬ tels der Zuführungseinrichtung 51 gekühlt wird. Durch die Er¬ wärmung - auf beispielsweise etwa.550 C - werden'die geforder¬ ten Härtewerte innerhalb von wenigen Sekunden erreicht (be¬ schleunigtes Anlassen). Dadurch wird erreicht, dass die Tel¬ lerfeder 68 im Bereich 78 eine höhere Härte aufweist als in den übrigen Bereichen. Die Heizvorrichtungen 42 und 46 sind ausse-rdem mit der Steuereinheit 52 verbunden, 'die eine genaue Einstellung der Anlasstemperatur, zum Beispiel im Bereich von 150 bis 600 C, und der Dauer des Anlassvorganges erlaubt. Die im Einzelfall einzustellende Anlasstemperatur und/oder die Dauer des Anlassvorganges hängt von dem zu erzielenden Gefüge und den geforderten mechanischen Eigenschaften ab und kann durch Versuche oder rechnerisch ermittelt werden. Dabei gilt, dass zum Beispiel die Härte umso grösser ist, je niedriger die Anlasstemperatur gewählt wird. Beim beschleunigten Anlass- prozess wird eine Martensitversprödung vermieden. Mit kurzen Anlasszeiten von einigen Sekunden bei entsprechend höheren Temperaturen werden 'bessere mechanische Eigenschaften er¬ reicht. Die Temperatur kann mittels eines Messfühlers über¬ wacht und die erhaltenen Messwerte einer zentralen Steuerein¬ richtung eingespeist werden. Der Temperatur-/Zeitverlauf kann dabei mittels eines Monitors verfolgt und mit dem für ein bestimmtes Gefüge berechneten und/oder durch Versuche ermit¬ telten Verlauf der Erwärmungskurve abgeglichen werden. - 22 -
Anschliessend wird die geformte und gehärtete Tellerfeder 68 durch Oeffnen der beheizbaren Form 38 und Zurückziehen des Zentrierdorns 48 freigegeben und mittels einer dritten Förder¬ vorrichtung 84, die der ersten und der zweiten Fördervorrich¬ tung entspricht, der vierten Behandlungsstation, der Kühlein¬ richtung 8 zugeführt. Diese ist entsprechend der Härtepresse 4 ausgebildet. Die mittels der Fördervorrichtung 84 zuge¬ führte, von der Anlasseinrichtung kommende Tellerfeder 68 wird von unten in die kühlbare Form 56 der Kühleinrichtung 8 eingefahren und dort mittels des Zentrierdorns 66 gehalten. Durch horizontale Verschiebung des ersten Formteils 58 in Richtung des zweiten Formteils 62"wird die Form 56 geschlos¬ sen und die Tellerfeder 68 eingespannt und in eingespanntem Zustand mittels der Kühleinrichtungen 60 und 64 entsprechend einer berechneten und/ oder durch Versuche ermittelten und in einer zentralen Programmsteuerungseinrichtung gespeicherten Temperatur-Zeit-Kurve abgekühlt'. Die Tellerfeder 68 ist nach dem Abkühlen gebrauchsfertig und zeichnet sich durch eine hohe Massgenauigkeit und durch ein gleichmässiges Gefüge aus, so dass sie keinen zusätzlichen Behandlungsschritten unter¬ worfen werden muss.
Während des gesamten Prozesses werden alle Behandlungsstati¬ onen vorzugsweise mit der gleichen Taktzeit durchlaufen. Die im Einzelfall anzuwendende Taktzeit wird experimentell oder rechnerisch ermittelt und wird entsprechend der Dauer des den grössten Zeitaufwand beanspruchenden Vorganges, in der Regel des Abschreckungsvorganges in der zweiten Behandlungsstation, eingestellt und die Behandlung in den übrigen Stationen auf die vorbestimmte Taktzeit abgestimmt. Die Taktzeiten können dabei von einigen Sekunden bis einigen Minuten betragen, je nach Volumen des Werkstückes. Die Figuren 8 und 9 zeigen die Fördervorrichtung 80, die ins¬ besondere zum Umsetzen von vorzugsweise aufrechtstehenden flachen Werkstücken, wie insbesondere Tellerfedern 68 gemäss den Figuren 6 und 7, geeignet ist. Die Fördervorrichtung 80 enthält einen Halter 86 mit einem Mitnehmer 88, an dem längs eines Kreisbogens, dessen Radius dem der Tellerfedern ent¬ spricht, drei Greifer 90 angeordnet sind. Die drei Greifer sind mindestens an dem mit der Tellerfeder zusammenwirkenden gabelartigen Teil mit einem Werkstoff mit reduzierter Wärme¬ leitfähigkeit versehen. Der Halter 86 ist an einer Parallelo- grammführung 92 angeordnet, die zwei Parallelogrämmarme 94 aufweist, welche einerseits über Lager 96 mit dem Halter 86 und andererseits über Wellen 98 mit dem Gestell 100 der An¬ lage verbunden sind. An den Parallelogrammarmen 94 sind Stell¬ schrauben 102, 104 zum Einstellen der Endstellungen des Mit¬ nehmers 88 angeordnet. An einer Welle 98 ist eine Antriebs¬ vorrichtung 106 angeschlossen, die vorzugsweise mit der zen¬ tralen Programmsteuereinrichtung verbunden ist.
Der Mitnehmer 88 der Fördervorrichtung führt eine kurvenför¬ mige Bewegung aus, die im vorliegenden Falle kreisbogenförmig ist. Der Mitnehmer fährt von unten her in eine Behandlungs¬ station ein, erfasst den unteren Teil eines Werkstückes, bei¬ spielsweise einer Tellerfeder, die nach Zurücknehmen von An¬ schlägen in der Behandlungsstation frei nach unten ausgefah¬ ren, längs eines Kreisbogens zur nächsten Behandlungsstation und dort von unten wieder eingefahren werden kann. Nach dem Setzen der Anschläge in der Behandlungsstation wird das Werk¬ stück festgehalten und der Mitnehmer kann wieder frei nach unten zur vorhergehenden Behandlungsstation zurückschwenken und ein neues Werkstück aufnehmen. Die Anlage kann auch so ausgelegt sein, dass die Werkstücke während der einzelnen Behandlungsschritte liegend angeordnet sind und nicht stehend wie im vorhergehenden beispielhaft beschrieben. Die liegende Anordnung empfiehlt sich insbe¬ sondere für Werkstücke mit grösseren Abmessungen, z.B. einem Durchmesser von angenähert 0,5 m oder mehr.
Das Blockdiagramm in Figur 10 zeigt eine Anlage, die zur Här¬ tung von flächigen Werkstücken mit geringer Dicke geeignet ist.
Die Anlage weist die folgenden wesentlichen Bestandteile auf:
- eine Beschickungseinrichtung 108 zum Zuführen von Werkstücken;
- eine Erwärmungseinrichtung 110 als erste Behandlungs- Station;
- eine Härtepresse 112 als zweite Behandlungsstation;
- eine Anlasseinrichtung 114 als dritte Behandlungs¬ station; und
- eine Abführeinrichtung 116 zum Abführen fertiger Werkstücke.
Die Beschickungseinrichtung 108, die Erwärmungseinrichtung 110, die Härtepresse 112, die Anlasseinrichtung 114 und die Abführeinrichtung 116 sind in diesem Beispiel vertikal über¬ einander angeordnet, und zwar derart, dass die Werkstücke die Anlage in freiem Fall durchlaufen.
Die Beschickungseinrichtung 108 weist ein Magazin -118 zur Aufnahme der Werkstücke 120 auf und ist mit einer Vorspannein¬ richtung 122 ausgestattet, mittels der die Werkstücke 120 gegen eine Austrittsseite 124 vorgespannt sind und in Rich¬ tung einer spaltförmigen Austrittsöffnung 126 bewegt werden können. Diese weist zweckmässigerweise eine Spaltbreite auf, die grösser ist als die Dicke eines Werkstückes 120 jedoch kleiner als die zweifache Dicke des Werkstückes 120. Oberhalb der Austrittsöffnung 126 ist eine Ausstossvorrichtung 128 angeordnet, mittels der das Werkstück 120 nach unten ausge- stossen werden kann. Unterhalb der Austrittsöffnung 126 ist die Erwärmungseinrichtung 110 angeordnet, die bevorzugt als Platteninduktoer 130 mit zwei einander gegenüberstehenden Platten 132 und 134 ausgebildet ist, wobei die Platten 132 und/oder 134 zur Halterung des Werkstückes .120 mit rücknehm- baren Anschlägen 136, z.B. zurückziehbare oder ausklappbare Keramikstifte, ausgestattet sind.
Ausserdem kann die Erwärmungseinrichtung 110 mit einer ge- » * strichelt angedeuteten Schutzgasvorrichtung 138 zum Erwärmen in einer Schutzgasatmosphäre ausgestattet sein.
Unterhalb der Erwärmungseinrichtung 110 ist die Härtepresse 112 mit einer kühlbaren Form 140 angeordnet. Diese weist einen ersten horizontal verschiebbaren Formteil 142, der mit einer ersten Kühleinrichtung.144 zur indirekten Kühlung ausge¬ stattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeordne¬ ten feststehenden Formteil 146, der mit einer zweiten Kühlein¬ richtung 148 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, auf. Ausserdem ist ein Zentrierdorn 150 zur Halterung des Werk¬ stückes 120 vorhanden. Die erste Kühleinrichtung 144 und die zweite Kühleinrichtung 148 sind zweckmässigerweise an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, der mit einer Regeleinrichtung zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur verbunden sein kann. Unterhalb der Härtepresse 112 ist die Anlasseinrichtung 114 mit einer beheizbaren Form 152 angeordnet. Diese besteht aus einem horizontal verschiebbaren ersten Formteil 154, der mit¬ tels einer ersten Heizvorrichtung 156 beheizbar ist, und einen zweiten Formteil 158, der mittels einer zweiten Heizvor¬ richtung 160 beheizbar ist. Zur Halterung des Werkstückes 120 ist ein Zentrierdorn 162 vorgesehen. Um eine örtlich differen¬ zierte Erwärmung des Werkstückes 120 zu erreichen, ist der zweite Formtεil 158 mit einer Ausnehmung 164 versehen, durch die ein direkter Wärmeübergang vermiden wird. Ausserdem ist eine Zuführungseinrichtung 156 zum £inblasen von Druckluft vorgesehen. Die erste Heizvorrich'tüng 156 und die zweite Heiz¬ vorrichtung 160 sind mit einer Steuereinheit 168 zur Steue¬ rung des Temperatur-/Zeitverlaufs verbunden.
Unterhalb der Anlasseinrichtung 114 ist die Abführeinrichtung 116,' z.B. eine Fördereinrichtung 170, vorzugsweise ein Förder¬ band 172, zum Abführen fertiger Werkstücke 174 angeordnet. Dabei kann das Förderband 172 gleichzeitig als Kühlstrecke für die geformten und gehärteten Werkstücke 174 ausgebildet sein.
Die Anlage wird bevorzugt zur Herstellung von Werkstücken mit geringer Dicke und sehr kleinen Abmessungen im Bereich von wenigen Zentimetern verwendet.
Im allgemeinen wird die thermomechanische Behandlung ohne Verwendung einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen. In besonde¬ ren Fällen ist jedoch möglich entweder die erste Behandlungs¬ station, das heisst den Platteninduktor, oder die ganze An¬ lage mit einer Schutzgaseinrichtung zu versehen. Als Schutz¬ gas eignet sich im Besonderen technischer Stickstoff. Bezugszeichenliste
2 Erwärmungseinrichtung
4 Härtepresse
6 Anlasseinrichtung
8 Kühleinrichtung
10 Werkstück
12 Platteninduktor
14 Platte
16 Platte
18 rücknehmbarer Anschlag
20 Schwingkreis
22 Messfühler
24 Schutzgasvorrichtung
•26 kühlbare Form • •
28 1. Formteil
30 1". Kühleinrichtung
32 2. Formteil
34 2. Kühleinrichtung
36 rücknehmbarer Anschlag oder Zentrierdorn
38 beheizbare Form
40 1. Formteil
42 1. Heizvorrichtung
44 2. Formteil
46 2. Heizvorrichtung
48 rücknehmbarer Anschlag oder Zentrierdorn
50 Ausnehmung
51 Zuführungseinrichtung für Pressluft
52 Steuereinheit
54 geformtes Werkstück 56 kühlbare Form
58 1. Formteil
60 1. Kühleinrichtung
62 2. Formteil
64 2. Kühleinrichtung
66 rücknehmbarer Anschlag oder Zentrierdorn
68 Tellerfeder
70 Ringteil
72 zentrale Oeffnung
74 Lamelle
76 dem Ringteil benachbarter Bereich
78 an die zentrale Oeffnung angrenzender
Bereich
80 1. Fördervorrichtung
82 > 2. Fördervorrichtung ' ^
84 3. Fördervorrichtung
86 Halter
88 Mitnehmer
90 Greifer
92 Parallelogrammführung
94 Parallelogrammarm
96 Lager von 86
98 Welle
100 Gestell
102 Stellschraube
104 Stellschraube
106 Antriebsvorrichtung
108 Beschicktungseinrichtung
110 Erwärmungseinrichtung
112 Härtepresse
114 Anlasseinrichtung 116 Abführeinrichtung
118 Magazin
120 Werkstück
122 Vorspanneinrichtung
124 Austrittseite
126 Austrittsöffnung
128 Ausstossvorrichtung
130 Platteninduktor
132 Platte
134 Platte
136 rücknehmbarer "Anschlag
138 Schutzgasvorrichtung
140 kühlbare Form
142 1. Formteil
144 1. Kühleinrichtung
146 2. Formteil
148 2_. Kühleinrichtung
150 rücknehmbarer Anschlag oder Zentrierdorn
152 beheizbare Form
154 1. Formteil
156 1. Heizvorrichtung
158 2. Formteil
160 2. Heizvorrichtung
162 rücknehmbarer Anschlag oder Zentrierdorn
164 Ausnehmung
166 Zuführungseinrichtung für Pressluft
168 Steuereinheit
170 Fördereinrichtung
172 Förderband
174 geformtes Werkstück

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur serienmässigen, verzugsarmen thermome¬ chanischen Behandlung von Werkstücken aus härtbaren me¬ tallischen Werkstoffen, wobei das Werkstück auf Härte¬ temperatur gebracht, in einer Härtepresse eingespannt und abgeschreckt und weiter in eingespanntem Zustand Wärmebehandlungsschritten unterworfen wird, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass man das Werkstück (10, 68, 120) in einer Erwärmungseinrichtung (2-, 110) als erster Behand¬ lungsstation induktiv auf seine Austenitisierungstempera- tur erwärmt, das erwärmte Werkstück ohne Wärmeverlust in eine mit"mindestens einer kühlbaren Form (26; 140) ausgestattete Härtepresse (4, 112) als zweiter Behand¬ lungsstation zu ührt,» dort einspannt, in die gewünschte Form bringt und durch indirekte Kühlung auf eine vorge¬ gebene Temperatur oberhalb Raumtemperatur abschreckt, danach das geformte und abgeschreckte Werkstück direkt in eine mit mindestens einer beheizbaren Form (38, 152) ausgestattete Auslasseinrichtung (6, 114) als dritter Behandlungsstation überführt und dort in eingespanntem Zustand einer Anlassbehandlung unterwirft und danach das geformte, gehärtete und angelassene Werkstück (54, 68, 174) in eine mit mindestens einer kühlbaren Form (56) ausgestattete Kühleinrichtung (8) als vierter Behandlungs¬ station überführt und dort in eingespanntem Zustand einer geregelten Abkühlung unterwirft, wobei man den Temperatur- Zeit-Verlauf während der einzelnen Behandlungsschritte mittels einer zentralen Programmsteuerung entsprechend einem vorgegebenen, durch Versuche und/oder rechnerisch ermittelten metallurgischen Programm einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Temperatur-Zeit-Verlauf während der einzelnen Behandlungsschritte entsprechend dem Temperatur/Zeit- Diagramm gemäss Figur 1 einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Förderzeiten des Werkstückes zwischen der ersten und der zweiten Behandlungsstation, zwischen der zweiten und der dritten Behandlungsstation und zwischen der dritten und vierten Behandlungsstation so einstellt, dass sie nur einen Bruchteil der Verweilzeiten in der ersten und/oder zweiten und/oder der dritten und/oder vierten Behandlungsstation betragen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man in der zweiten Behandlungsstation eine von einer Kühl¬ flüssigkeit durchflossene' Form verwendet, wobei man die Kühlflüssigkeit gegebenen lls im Kreislauf führt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmeabführung durch die gekühlte Form und damit die Abschreckgeschwindigkeit durch Einstellung der Durch¬ flussgeschwindigkeit und/oder der Temperatur der Kühl¬ flüssigkeit steuert.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur der kühlbaren Form und/oder einer Kühlflüssigkeit und/oder des Werkstückes laufend über¬ wacht und die erhaltenen Messwerte zur Steuerung der Wärmeabführung durch die gekühlte Form verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück auf eine Temperatur oberhalb Raum¬ temperatur abschreckt und danach in der dritten Behand- lungsstation durch Wärmezufuhr von aussen, gegebenenfalls unter Ausnützung von im Werkstück vorhandener Restwärme anlässt, beispielsweise entsprechend dem Temperatur/Zeit- Diagramm gemäss Figur 2.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man in der zweiten Behandlungsstation den Pressdruck der Härtepresse zur Vermeidung von Spannungen im Werkstück periodisch verändert.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man in der dritten Behandlungsstation eine örtlich differenzierte Wärmebehanlung durchführt, derart, .dass das Werkstück bereichsweise auf unterschiedliche Tempe¬ raturen erwärmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück alle vier Behandlungsstationen mit der gleichen Taktzeit durchlaufen lässt, wobei man die Takt¬ zeit entsprechend der Dauer des den grössten Zeitaufwand beanspruchenden Vorgange.s einstellt und die Behandlung in den übrigen Stationen auf die vorbestimmte Taktzeit ab¬ stimmt.
11. Verfahren zur serienmässigen, verzugsarmen thermome¬ chanischen Behandlung von Werkstücken aus härtbaren metal¬ lischen Werkstoffen, wobei das Werkstück auf Härtetempera- tur gebracht, in einer Härtepresse eingespannt und abge¬ schreckt und weiter in eingespanntem Zustand Wärmebehand- lungsschritten unterworfen wird, dadurch. gekennzeichnet, dass man das Werkstück (10, 68, 120) in einer Erwärmungs¬ einrichtung (2, 110) als erster Behandlungsstation induk¬ tiv auf seine Austenitisierungstemperatur erwärmt, das erwärmte Werkstück ohne Wärmeverlust in eine mit minde¬ stens einer kühlbaren Form (26, 140) ausgestattete Härte¬ presse (4, 112) als zweiter Behandlungsstation zuführt, dort einspannt und durch indirekte Kühlung auf eine vorge¬ gebene Temperatur abschreckt, danach das geformte und abgeschreckte Werkstück in der gleichen Behandlungs¬ station in eingespanntem Zustand einer Anlassbehandlung und/oder geregelten Abkühlung unterwirft, wobei man den Temperatur-Zeit-Verlauf während der einzelnen Behandlungs¬ schritte mittels einer zentralen Programmsteuerung ent¬ sprechend einem vorgegebenen, durch Versuche und/oder rechnerisch' ermittelten metallurgischen Programm ein- . stellt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück (10, 68) auf eine vorgegebene Tempe¬ ratur, die eine Gefügeumwandlung in einer Zwischenstufe erlaubt, abschreckt und, gegebenenfalls unter Ausnützung von im Werkstück vorhandener Restwärme, einer isothermen Wärmebehandlung unterwirft, beispielsweise entsprechend dem Temperatur/Zeit-Diagramm gemäss Figur 3.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück (10, 68) einer geregelten, vorzugsweise verzögerten, Abkühlung unterwirft, beispielsweise ent¬ sprechend dem Temperatur/Zeit-Diagramm gemäss Figur 4.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das geformte, gehärtete und angelassene Werkstück (54, 68, 174) in der Kühleinrichtung (8) auf annähernd 200°C abkühlt und anschliessend, gegebenenfalls in einer weiteren Behandlungsstation, flachdrückt oder bis zu an¬ nähernd -5 überdrückt und eingespannt auf Raumtemperatur abkühlen lässt.
15. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Erwärmungseinrichtung (2, 110) als erste Behandlungsstation, eine mit mindestens einer kühlbaren Form (26, 140) ausgestattete Härtepresse (4, 112) als zweite Behandlungsstation, eine mit mindestens einer beheizbaren Form (38, 152) ausgestattete Anlass¬ einrichtung (6, 114) als dritte" Behandlungsstation und eine mit mindestens einer kühlbaren Form (56) ausge¬ stattete Kühleinrichtung (8) als vierte Behandlungs¬ station, wobei die Behandlungsstationen direkt miteinan¬ der geschaltet und funktionsmässig hintereinander ver¬ bunden sind.
16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (2, 110) als Platteninduktor (12, 130) mit zwei einander gegenüberstehenden Platten (14, 16; 132, 134) ausgebildet ist, die vorzugsweise mit rück- nehmbaren Anschlägen (18; 136) zur Halterung des Werk¬ stückes (10, 68; 120) ausgestattet sind.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schutzgasvorrichtung (24, 138) zur Erwärmung des Werkstückes (10, 68, 120) in einer Schutzgasatmosphäre aufweist.
18. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtepresse (4; 112) eine kühlbare Form 26; 140) auf¬ weist, deren Formausnehmung jener des fertigen Werk¬ stückes (54, 174) entspricht und die mindestens zwei mit Kühleinrichtungen (30, 34, 144, 148) ausgestattete Form¬ teile (28, 32; 142, 146) aufweist, von denen mindestens einer zum Oeffnen und Schliessen der Form (26, 140) ver¬ fahrbar ist, wobei vorzugsweise einer der Formteile (28, 32; 142, 146) mit einem rücknehmbaren Anschlag oder Zen¬ trierdorn (36, 150) ozur Halterung des Werkstückes (10,
120) ausgestattet ist.
19. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasseinrichtung (6, 114) eine beheizbare Form (38, 152) aufweist, deren Formausnehmung jener des geformten Werkstückes (54, 174) entspricht und die zwei Formteile (40, 44; 154, 158) aufweist, von denen mindestens* einer zum Oeffnen und Schliessen der Form (38, 152) verfahrbar ist und von denen mindestens einer mit einer Heizvorrich¬ tung (42, 46, 156, 160) ausgerüstet ist, wobei mindestens einer der Formteile 40, 44, 154, 158) mit einem rücknehm¬ baren Anschlag oder Zentrierdorn (48, 162) ausgestattet ist.
20. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (42, 46, 156, 160) der Anlasseinrich¬ tung (6, 114) mit einer Steuereinheit (52, 168) zur Ein¬ stellung von Anlasstemperatur und/oder Anlassdauer verbun¬ den sind.
21. Anlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasseinrichtung (6, 114) zur örtlich differen¬ zierten Erwärmung des Werkstückes (54, 174) ausgebildet ist, wobei die Formteile (40, 44, 154, 158) vorzugsweise mindestens eine den direkten Wärmeübergang vermeidende Ausnehmung (50, 164) aufweisen.
22. Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasseinrichtung (6, 114) eine Zuführungseinrichtung (51; 166) zum Einblasen von Pressluft im Bereich der Aus¬ nehmung (50; 154) aufweist.
23. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (8) eine kühlbare Form (56) aufweist, deren Formausnehmung jener des geformten Werkstückes (54) entspricht und die mindestens zwei mit Kühleinrichtungen (60, 64) ausgestattete Formteile (58, 62) aufweist, von denen mindestens einer zum Oeffnen und Schliessen der Form (56) verfahrbar ist, wobei mindestens einer der Form¬ teile (58, 62) mit 'einem rücknehmbaren Anschlag oder Zentrierdorn (66) zur Halterung des Werkstückes (54, 174) ausgestattet ist.
24. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (2, 110), die Härtepresse (4, 112) die Anlasseinrichtung (6; 114) und die Kühlein¬ richtung (8) zur aufrechtstehenden Aufnahme von Werk¬ stücken (10, 54; 120, 174) ausgebildet sind.
25. Anlage nach Anspruch 15 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Behandlungsstationen (2, 4, 6, 8) je¬ weils mittels einer Fördervorrichtung (80) mit mindestens einem Mitnehmer (88) zur Uebergabe der Werkstücke (10, 54) verbunden sind, wobei die Mitnehmer (88) die Werk¬ stücke (10, 54) vorzugsweise längs einer Kurvenbahn be¬ wegen.
26. Anlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (88) an einem Halter (86) angeordnet ist, der mittels einer Parallelogrammführung (92) jeweils zwischen zwei der Behandlungsstationen (2, 4, 6, 8) schwenkbar ist.
27. Anlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (88), der vorzugsweise Greifer (90) zum punktweisen Erfassen des Werkstückes (10, 54) aufweist, an seinen mit dem Werkstück in Berührung kommenden Teilen einen Werkstoff mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit auf¬ weist oder beheizt ist. ■■
28. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (2; 110), die Härtepresse (4; 112) und die Anlasseinrichtung (6; 114) in absteigender Höhe derart unmittelbar hintereinander geschaltet sind, dass die Werkstücke (10, 54; 120, .174) unter dem Einfluss der Schwerkraft die einzelnen Stati¬ onen durchlaufen (Fig. 10).
29. Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (2, 110), die Härtepresse (4, 112), die. Anlasseinrichtung (6, 114) und die Kühleinrichtung (8) sowie die Fördereinrichtungen (80) mit einer zentralen Programmsteuereinrichtung ge¬ koppelt und durch diese steuerbar sind.
30. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur serienmässi- gen, vollautomatischen thermomechanischen Behandlung von Tellerfedern (68) aus dünnem Stahlblech mit einem äus- seren geschlossenen Ringteil (70), einer zentralen Oeff¬ nung (72) und mit vom Ringteil (70) sich radial gegen die Oeffnung (72) erstreckenden Lamellen (74), wobei die Tellerfedern (68) der Erwärmungseinrichtung (2) zuführt, dort induktiv auf ihre Austenitisierungstemperatur er¬ wärmt, anschliessend in der Härtepresse (4) einspannt, in die gewünschte Form bringt und gleichzeitig durch Ab¬ schrecken härtet, danach in die beheizbare Form (38) der Anlasseinrichtung (6) überführt und dort auf Anlasstempe- ratur erwärmt und anschliessend die fertigen Tellerfedern (68) in die kühlbare Form (56) der Kühleinrichtung (8) einbringt und dort auf Raumtemperatur abkühlt.
31. Anwendung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Anlasseinrichtung (6) die freien Enden der Lamellen (74) im Bereich (78) einer vom übrigen Teil der Tellerfeder (68) abweichenden Wärmebehandlung aussetzt, vorzugsweise indem man Pressluft einbläst und/oder sie in eine Ausnehmung (50) der Form 38) hineinragen lässt, welche eine direkte Wärmeleitung von der Form (38) zu den freien Enden der Lamellen (74) im Bereich (78) verhindert.
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