DE102004028236B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Werkstücken vor der Warm- oder Halbwarmumformung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Werkstücken für eine anschließende Warm- oder Halbwarmumformung, bei dem die Werkstücke auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden.
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von Werkstücken für eine anschließende Warm- oder Halbwarmumformung, in der die Werkstücke auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden und eine Vorrichtung zum Umformen von erwärmten Werkstücken.
- Im Automobilbau besteht insbesondere zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs der Bedarf nach einer Gewichtsreduzierung der verschiedenen Komponenten eines Kraftfahrzeugs. Gewichtseinsparungen im Bereich der Karosserie lassen sich beispielsweise durch den Einsatz alternativer Werkstoffe erreichen. Ferner lässt sich das Gewicht von Karosseriebauteilen durch Ausführungen mit weniger Material, das heißt üblicherweise durch möglichst geringe Blechstärken reduzieren.
- Im Automobilbau gilt Stahl als der klassische Werkstoff für Karosseriebauteile. Dabei ermöglichen hoch und höher feste Stahlwerkstoffe eine Gewichtsreduzierung durch die Verringerung der Blechdicken, welche mit bisher verwendeten Stählen nicht erreicht werden kann. Hochfeste Stahlwerkstoffe weisen jedoch ein anderes Umformverhalten als herkömmliche Stähle auf, da sie beispielsweise nach einer Kaltverformung bei Raum temperatur aufgrund der hohen Eigenfestigkeit je nach Walzrichtung stark bis unkontrolliert unterschiedlich zurückfedern. Zur Lösung verschiedener Probleme beim Kaltumformen wurden hochfeste Stähle entwickelt, welche ein verbessertes Kaltumformverhalten aufweisen. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentschrift
DE 101 28 544 C2 ein höherfestes Stahlblech, welches aufgrund seiner Zusammensetzung eine gute Kaltumformbarkeit aufweisen soll. - Um die vorteilhaften Materialeigenschaften von hochfesten Stählen insbesondere im Karosseriebau nutzen zu können, besteht darüber hinaus der Bedarf nach alternativen geeigneten Umformverfahren. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Halbwarm- und Warmumformverfahren einzusetzen. Das Halbwarmformen (Pressen) von Blechen bedingt das Aufheizen des zu verpressenden Werkstücks auf eine vorgegebene Temperatur, die beispielsweise im Bereich von 400 bis 700°C (Halbwarm) liegen kann. Die Erwärmung erfolgt herkömmlicherweise mit Hilfe eines Strahlungs- oder Konvektionsdurchlaufofens, durch den ein die einzelnen Werkstücke tragendes Fördermittel hindurchläuft. Die Beheizung erfolgt in der Regel mit elektrischen Widerständen oder durch Gasflammen. Auch Kombinationen verschiedener Beheizungsmittel sind bekannt.
- Bekannte Verfahren zur Erwärmung der zu behandelnden Werkstücken vor einer jeweiligen Warmumformung sind jedoch mit spezifischen Nachteilen behaftet. Beispielsweise führt das Erwärmen der Werkstücke mit Hilfe eines Strahlungs- oder Konvektionsdurchlaufofens durch die bei dieser Temperatur physikalisch bedingten niedrigen erreichbaren Wärmeübergangszahlen zu relativ langen Aufheizzeiten. Darüber hinaus erfolgt die Erwärmung der Werkstücke nur langsam, da der Wärmeübertragungskoeffizient vergleichsweise gering ist.
- Ferner werden die bekannten Verfahren in großen Öfen mit hohen Leerverlusten und großem Flächenbedarf durchgeführt, da die Ofenwandverluste proportional zur Länge sind. Dies führt zu einer großen Innenfläche des Ofens, welche auf die Erwärmungstemperatur erwärmt werden muss. Die Innenfläche des Ofens wird jedoch nach Einstellen des Betriebes wieder abgekühlt, ohne dass die eingebrachte Wärme wiedergewonnen werden kann. Bei direkter Gasflammenbeheizung entsteht zudem oftmals das Problem der Überhitzung, da Gasflammen eine typische Brenntemperatur von etwa 1800°C aufweisen und dadurch auf dem Werkstück eine Verzunderung stattfindet, die in einem weiteren Arbeitsgang wieder entfernt werden muss.
- Im Bereich der konvektiven Erwärmung von Werkstücken ist insbesondere der vorteilhafte Einsatz von Prallstrahlen bekannt. Beispielsweise offenbart die deutsche Patentschrift
DE 35 03 089 C2 eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Oberfläche eines Werkstücks mit einem Gas, wobei Loch- oder Schlitzdüsen Prallstrahlen eines Fluids erzeugen, welche auf eine zu erwärmende Oberfläche treffen. Ferner beschreibt die deutsche PatentschriftDE 103 03 228 B3 die Verwendung von Prallstrahlen in einem Stabilisierungsdüsensystem zur Stabilisierung eines durch einen Öfen laufenden metallischen Bandes. Das Band wird in einem Behandlungsteil der Vorrichtung berührungsfrei geführt und durch die Prallstrahlen lagestabilisiert. - Aus der Japanischen Patentanmeldung
JP 2001262221 A - Die US-Patentschrift
US 3,666,253 beschreibt einen Wirbelschichtofen, welcher elektrisch beheizt wird während die Japanische PatentanmeldungJP 02282416 A US 4,379,725 ist ein Verfahren zum Umformen von Werkstücke in einer Presse bekannt, bei dem die Werkstücke auf eine Temperatur über der Verformungsgrenze des Metalls erwärmt werden. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erwärmung von Werkstücken für eine anschließende Warm- oder Halbwarmumformung bereit zu stellen, bei dem die Werkstücke auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, wobei das Verfahren einen hohen Wärmeübergang realisiert. Dabei ist es Aufgabe der Erfindung, die Nachteile herkömmlicher Verfahren zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren mit möglichst geringem Energiebedarf bereitzustellen.
- Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die wenig Raum beansprucht.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-3 und 5-9.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung von Werkstücken für eine anschließende Warm- oder Halbwarmumformung sieht die Erwärmung der Werkstücke auf eine vorgegebene Temperatur vor. Dazu durchlaufen die Werkstücke in einer Vorrichtung ein Düsenfeld, wobei das Düsenfeld mehrere Öffnungen aufweist, aus denen ein Fluid in Form von Prallstrahlen austritt, welche die Werkstücke durch konvektive Wärmeübertragung erwärmen.
- Die Erfindung wird durch ein Verfahren zur Warm- oder Halbwarmverformung von Werkstücken ergänzt, bei dem die Werkstücke vor der Umformung auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden und die Werkstücke in eine Vorrichtung eingebracht werden, in welcher sie ein Düsenfeld durchlaufen, wobei das Düsenfeld mehrere Öffnungen aufweist, aus denen ein Fluid in Form von Prallstrahlen austritt, welche die Werkstücke durch konvektive Wärmeübertragung erwärmen. Die Werkstücke werden nach der Erwärmung in ein Umformmittel überführt und in diesem umgeformt.
- In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Hauptbestandteil der Werkstücke ein hoch fester oder höher fester Stahl. Dies bedeutet, dass mindestens 50% des Bauteils aus einem hoch festen oder höher festen Stahl bestehen.
- Vorzugsweise strömt das Fluid zur gleichmäßigen Umwälzung mittels einer oder mehrerer Ventilatoren durch die Öffnungen auf die Werkstücke. Die Beschickung eines Werkstücks in die Vorrichtung und die Entnahme aus der Vorrichtung kann über dieselbe oder verschiedene Öffnungen der Vorrichtung erfolgen. Das Verfahren kann somit in einem Ofen mit Batchbetrieb oder in einem kontinuierlichen Durchlaufofen betrieben werden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erwärmung von Werkstücken für eine anschließende Warm- oder Halbwarmumformung, in der die Werkstücke auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, weist ein Düsenfeld mit mehreren Öffnungen auf, durch welche ein Fluid in Form von Prallstrahlen strömt. Das Düsenfeld ist so angeordnet, dass ein zu erwärmendes Werkstück in das Düsenfeld einbringbar ist.
- Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung ergänzt, in der die Werkstücke vor der Umformung auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, die ein Düsenfeld mit mehreren Öffnungen aufweist, durch welche ein Fluid in Form von Prallstrahlen strömt. Das Düsenfeld ist ebenfalls so angeordnet, dass ein zu erwärmendes Werkstück in das Düsenfeld einbringbar ist. Die Vorrichtung weist ferner ein Umformmittel zum Umformen eines erwärmten Werkstücks auf. Bei dem Umformmittel handelt es sich beispielsweise um eine Presse.
- In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ein Transportsystem zum Transport der Werkstücke durch die Vorrichtung auf. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Förderband handeln, auf welchem die Werkstücke durch den Ofen transportiert werden.
- Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, dass die Vorrichtung eine Übergabeeinrichtung zur Übergabe des jeweiligen Werkstücks in eine nächste Bearbeitungseinheit aufweist. Als Übergabeeinrichtung kann beispielsweise ein Greifer eingesetzt werden, welcher ein erwärmtes Werkstück aufnimmt und in die Presse überführt.
- Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu gewährleisten und so den Energiebedarf des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung zu verringern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Form des Düsenfeldes der Form des Werkstücks anzupassen. Das Düsenfeld weist ferner eine Heizeinrichtung auf, die auf verschiedene Arten beheizt werden kann. Die Beheizung kann beispielsweise elektrisch oder durch einen mit Brennstoff betriebenen Brenner erfolgen.
- Zur Umwälzung des Fluides durch das Düsenfeld und durch die Heizeinrichtung weist die Vorrichtung vorzugsweise wenigstens einen Ventilator auf. Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum thermostatischen Halten der Temperatur innerhalb des Düsenfelds aufweisen, wobei die Temperatur oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke liegt. Vorzugsweise liegt die Temperatur innerhalb des Düsenfelds etwa 10 bis 100 °C oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke.
- Von der Erfindung umfasst ist ferner die Verwendung einer Vorrichtung zur Erwärmung von Werkstücken mit einem Düsenfeld mit mehreren Öffnungen, durch welche ein Fluid in Form von Prallstrahlen strömt, zur Erwärmung von Werkstücken, deren Hauptbestandteil ein hoch fester oder höher fester Stahl ist.
- Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung eines Verfahrens zur Erwärmung von Werkstücken, bei dem die Werkstücke ein Düsenfeld mit mehreren Öffnungen durchlaufen, aus denen ein Fluid in Form von Prallstrahlen austritt, zur Erwärmung von Werkstücken, deren Hauptbestandteil ein hoch fester oder höher fester Stahl ist.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Erwärmung und anschließenden Umformung von Werkstücken aus hochfesten Stählen. Die Erfindung wendet sich damit ab von Durchlauföfen mit Konvektions- oder Strahlungserwärmung und nutzt statt dessen ein Düsenfeld mit Prallstrahlen, das für den relevanten Temperaturbereich sehr gute Voraussetzungen mitbringt. Bei einem Prallstrahl handelt es sich dabei um den Strahl eines Fluids, das aus einer Düse austritt und auf eine davor liegende Fläche auftrifft. Am Austritt der Düse wird Fluid aus der Umgebung eingesaugt und der Strahl verbreitert sich. Das Fluid strömt auf die Fläche zu und wird dabei verzögert. In der Nähe der Strahlachse bildet sich an der Fläche eine laminare Grenzschicht aus. In einiger Entfernung vom Staupunkt findet ein laminar-turbulenter Umschlag statt, an dem sich eine vollturbulente wandparallele Strömung ausbildet.
- Die Verwendung eines Prallstrahlenofens bringt verschiedene Vorteile mit sich. Beispielsweise ist die verwendete Prallstrahlenerwärmung unkritisch bezüglich Übertemperaturen mit der Folge der Verzunderung. Die Verwendung ist ferner einfach durchzuführen und die Handhabung eines Prallstrahlofens ist in anderen Bereichen erprobt. Ein Prallstrahlofen ist ferner kostengünstig in der Anschaffung.
- Der bedeutendste Vorteil eines Prallstrahlenofens liegt in dem sehr guten Wärmeübergang zwischen Düsenfeld und Werkstück, der durch den hochturbulenten Kontakt zwischen Werkstückoberfläche und Prallfluid realisiert wird. Wärmeübergangszahlen von bis zu 150 W/m2h sind mit dieser Erwärmungsart gegenüber ca. 50 W/m2h bei normaler Konvektion oder Strahlung erreichbar. Dadurch lässt sich insbesondere der Energiebedarf einer Vorrichtung zur Erwärmung von Werkstücken möglichst gering halten, da die eingebrachte Energie sehr gut verwertet werden kann.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Erwärmung oder Halberwämung von Werkstücken aus Stahl höherer Festigkeit für Autokarosserien oder Strukturteile aus Blech. Hier wird vorzugsweise eine für Stahl ungewöhnlich niedrige Temperatur von 400 bis 700°C (Halbwarm) gewählt, damit einerseits eine ungewünschte Verzunderung der Oberflächen und andererseits ein unkalkulierbares Zurückfedern nach dem Verformen reduziert wird.
- Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
- Von den Abbildungen zeigt:
-
1 eine schematische Anordnung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung; und -
2 einen vergrößerten Ausschnitt des Düsenfeldes. - Die in
1 dargestellte Vorrichtung verwendet herkömmliche und neue Bestandteile. Die Pfeile in1 stellen den Durchlaufweg der Werkstücke10 durch die Anlage sowie die Flussrichtung des Fluides dar. Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um ein Gas. Bei den Werkstücken10 handelt es sich oftmals um Bleche, wie sie in der Abbildung von der Seite dargestellt sind. Es können jedoch auch anders geformte Werkstücke erwärmt werden. Die Anlage und das Erwärmungsverfahren eignen sich insbesondere zur Erwärmung von Werkstücken aus höher festen Stähle für Autokarosserien. - Auf einem Aufgabeherd
70 werden Werkstücke10 auf einem Transportsystem60 abgelegt, um sie nachfolgend im Ofengehäuse30 auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen. Zur Erwärmung ist ein Düsenherd20 vorgesehen, dessen Einzelheiten der2 zu entnehmen sind. Die einzelnen Werkstücke10 werden mit Hilfe eines Förderers60 in den Düsenherd20 befördert. Nach einer vorgegebenen Verweilzeit in dem Düsenherd20 ist jedes dort eingebrachte Werkstück10 auf die vorgegebene Temperatur gebracht, die beispielsweise für einige Stähle 650°C beträgt. Nach einem vorgegebenen Zeitablauf wird jedes Werkstück10 mit dem Förderer60 auf einen Auslaufherd71 transportiert und dann mit Hilfe eines Greifers80 von dem Auslaufherd abgenommen. Sobald ein Werkstück10 benötigt wird, entnimmt der Greifer80 dieses vom Auslaufherd71 und führt es direkt in die Presse90 . - Der
2 ist ein Querschnitt durch den oberen Teil der erfindungsgemäßen Anlage zu entnehmen. Das Werkstück10 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Förderer60 liegend dargestellt. Neben einzelnen Ketten können als Transportmittel zum Beispiel Förderbänder, Rollen oder ähnliche Mittel eingesetzt werden, welche auch unregelmäßig geformte Werkstücke zu handhaben vermögen. - Der Düsenherd
20 mit einer Beheizungseinrichtung50 besteht im Wesentlichen aus einem Druckraum31 und einem Ofenraum30 , der nach außen hin stark isoliert ist. Der Düsenherd20 kann auf verschiedene Weisen beheizt werden. Dabei kann eine direkte oder indirekte Beheizung eingesetzt werden. Die Beheizung kann beispielsweise über elektrische Widerstandselemente oder mit Brennstoff erfolgen. Darüber hinaus können eine oder mehrere Ventilatoren40 vorgesehen sein, um das Fluid auf Düsenaustrittsgeschwindigkeiten von ca. 20-100 m/s zu beschleunigen. - Die Heiztemperatur des Düsenherdes entspricht mindestens der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke, liegt jedoch vorzugsweise etwas höher als diese. Die tatsächlich erforderliche Temperatur muss empirisch ermittelt werden. Typische Temperaturunterschiede liegen in der Größenordnung von 10 bis 100°C. Bei einer Behandlungstemperatur von etwa 650°C liegt die Düsenherdtemperatur beispielsweise 20°C über der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke.
- Die Zuführung des Fluides an die Werkstücke erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels Düsen
21 , durch die sich Strömungsrichtung und – geschwindigkeit des Fluides so gestalten lassen, dass beim Auftreffen auf das Werkstück eine maximale Wärmeübertragungsleistung realisiert wird. Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen Strahlachse und Oberfläche zwischen 80° und 100°. - Die Werkstücke
10 werden fortlaufend von frischem Fluid umspült, das mittels einer oder mehrerer Ventilatoren40 beschleunigt wird. Das Fluid tritt dabei aus mehreren Öffnungen21 aus. Dadurch wird ein sehr guter Wärmeübergang von dem Fluid auf das Werkstück realisiert, so dass auf diese Weise kurze Aufheizzeiten verwirklicht werden können. -
- 10
- Werkstück, Blech
- 20
- Düsenfeld
- 21
- Düse, Öffnung
- 30
- Ofengehäuse
- 31
- Druckraum
- 40
- Ventilator
- 50
- Heizeinrichtung
- 60
- Förderer
- 70
- Aufgabeherd
- 71
- Auslaufherd
- 80
- Greifer
- 90
- Presse
Claims (9)
- Verfahren zur Warm- oder Halbwarmverformung von Werkstücken (
10 ), bei dem die Werkstücke (10 ) vor der Umformung auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (10 ) in eine Vorrichtung (30 ) eingebracht werden, in welcher sie ein Düsenfeld (20 ) durchlaufen und das Düsenfeld (20 ) mehrere Öffnungen (21 ) aufweist, aus denen ein Fluid in Form von Prallstrahlen austritt, welche die Werkstücke (10 ) durch konvektive Wärmeübertragung erwärmen, und dass die Werkstücke (10 ) nach der Erwärmung in eine Presse (90 ) überführt und in dieser umgeformt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zur gleichmäßigen Umwälzung mittels einer oder mehrerer Ventilatoren (
40 ) durch die Öffnungen (21 ) auf die Werkstücke (10 ) strömt. - Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickung eines Werkstücks (
10 ) in die Vorrichtung und die Entnahme aus der Vorrichtung über dieselbe oder verschiedene Öffnungen der Vorrichtung erfolgt. - Vorrichtung zur Warm- oder Halbwarmumformung von Werkstücken (
10 ), in der die Werkstücke (10 ) vor der Umformung auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Düsenfeld (20 ) mit mehreren Öffnungen (21 ) aufweist, durch welche ein Fluid in Form von Prallstrahlen strömt und das Düsenfeld so angeordnet ist, dass ein zu erwärmendes Werkstück (10 ) in das Düsenfeld einbringbar ist und die Vorrichtung eine Presse (90 ) zum Umformen eines erwärmten Werkstücks (10 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Transportsystem (
60 ) zum Transport der Werkstücke (10 ) durch die Vorrichtung aufweist. - Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Übergabeeinrichtung (
80 ) zur Übergabe des jeweiligen Werkstücks (10 ) in eine nächste Bearbeitungseinheit aufweist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Düsenfeldes (
20 ) der Form des Werkstücks angepasst ist. - Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum thermostatischen Halten der Temperatur innerhalb des Düsenfeld (
20 ) aufweist, wobei die Temperatur oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke (10 ) liegt. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur innerhalb des Düsenfelds (
20 ) etwa 10 bis 100°C oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur der Werkstücke (10 ) liegt.
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