EP0215032B1

EP0215032B1 - Verfahren und anlage zur serienmässigen, verzugsarmen thermomechanischen behandlung von werkstücken sowie anwendung des verfahrens

Info

Publication number: EP0215032B1
Application number: EP86901322A
Authority: EP
Inventors: Peter Merz
Original assignee: JENNY PRESSEN AG
Current assignee: JENNY PRESSEN AG
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1986-03-06
Publication date: 1990-03-07
Anticipated expiration: 2006-03-06
Also published as: US4832764A; JPH089733B2; EP0215032A1; DE3669328D1; WO1986005820A1; JPS62502795A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Zur Erzielung der für den jeweiligen Verwendungszweck erforderlichen Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Verschleissfestigkeit, Dauerfestigkeit, Ermüdungswiderstand, werden üblicherweise Werkstücke aus härtbaren metallischen Werkstoffen, insbesondere Eisenlegierungen, wie Stähle, einem Vergütungsprozess unterworfen. Der Vergütungsprozess umfasst im allgemeinen mehrere Behandlungschritte, und zwar eine Härtebehandlung durch Abschrecken eines auf Härtetemperatur erwärmten Werkstückes und eine anschliessende geregelte Wärmebehandlung, wie Anlassen, Tempern oder Halten bei einer vorgegebenen Temperatur und/oder geregeltes Abkühlen.
Aus der DE-A1-33 07 041 ist bekannt, ein Werkstück während der Härtebehandlung in eine mindestens eine kühlbare Form aufweisende Härtepresse einzuspannen und in eingespanntem Zustand abzuschrecken. Anschliessend wird das Werkstück ohne Zwischenbehandlung einer geregelten Abkühlung unterworfen oder in einer beheizbaren Warmhaltepresse einer geregelten Wärmebehandlung durch Anlassen und/oder isotherme Wärmebehandlung unterworfen. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Werkstück während des Vergütungsprozesses eine Aenderung seiner Form und/oder seiner Abmessungen erleidet, d. h. sich verzieht. Da das Abschrecken mittels indirekter Kühlung, d. h. unter Verwendung eines kühlbaren, insbesondere von einem Kühlmittel durchflossenen Werkzeuges, vorgenommen wird, unterbleibt eine Verschmutzung des Werkstückes durch das eingesetzte Kühlmittel, z. B. Salzlösungen oder Oele.
Ferner sind aus der Publikation von Dubeikovskii et al., Metal, Science and Heat Treatment, Nr. 9/10, Sept./Okt. 1976, Seiten 769-773, ein Verfahren zur automatisierten Wärmebehandlung von Friktionsscheiben für Traktoren sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das Werkstück, d. h. die Friktionsscheibe, induktiv auf Abschrecktemperatur erwärmt, wobei man das Werkstück rotieren lässt, um eine gleichmässige Erwärmung einschliesslich der Randbereiche zu erzielen. Danach wird das Werkstück der Abschreckeinrichtung zugeführt, wo es auf eine gekühlte Magnetplatte aufgelegt und von oben mit einem flüssigen Kühlmittel, z. B. Oel, besprüht wird. Durch das Magnetfeld der Magnetplatte soll dabei die Umwandlung der unterkühlten Austenitpnase in die gewünschte Martensitphase gefördert werden. Als nächster Verfahrensschritt ist die Entfernung des Kühlmittels durch Zentrifugieren vorgesehen. Das Anlassen des abgeschreckten und gereinigten Werkstückes wird mit Hilfe von zwei beheizten Formen vorgenommen, zwischen die das Werkstück eingespannt ist. Das Einspannen während des Anlassvorganges ist notwendig, um während der Härtebehandlung, der das Werkstück in nicht eingespanntem Zustand unterworfen wurde, entstandene Formänderungen, insbesondere wellenförmige Verwerfungen, zu korrigieren. Ausserdem ist der Anlasseinrichtung eine Hochfrequenzinduktionsheizung vorgeschaltet, da mittels der beheizten Formen der Anlasseinrichtung keine ausreichend gleichmässige Erwärmung des Werkstückes erzielt werden kann. Im Anschluss an die Anlassbehandlung wird das Werkstück einer Kühleinrichtung zugeführt, die ähnlich ausgelegt ist wie die Abschreckeinrichtung. Das Werkstück liegt dabei auf einer gekühlten Magnetplatte auf und wird durch Besprühen mit Wasser von oben auf eine Temperatur von 70 bis 90 °C gekühlt. Während des Kühlens ist das Werkstück nicht eingespannt und kann folglich einer Aenderung seiner Form und/oder seiner Abmessungen unterliegen.
Weder die DE-A1-33 07 041 noch die Publikation von Dubeikovskii et al. (l. c.) enthält irgendwelche Hinweise auf die Möglichkeit einer örtlich differenzierten Erwärmung des Werkstückes während der thermomechanischen Behandlung, insbesondere der Wärmebehandlung in der Anlassstufe. Versucht man mit Hilfe der beschriebenen Verfahren flächige Werkstücke herzustellen, welche Bereiche unterschiedlicher Härte aufweisen, so muss man feststellen, dass dies nicht möglich ist, da diesen Verfahren eine gänzlich andere Aufgabenstellung zugrundelag. Bei der Herstellung derartiger Werkstücke, insbesondere von Tellerfedem zur Verwendung in der Automobilindustrie, welche von einem äusseren, geschlossenen Ringteil radial nach innen ragende Lamellen aufweisen, deren Endteile eine grössere Härte aufweisen müssen als die übrigen Bereiche der Tellerfeder, insbesondere der äussere geschlossene Ringteil, ist man bisher so vorgegangen, dass man derartige Werkstücke nach dem Abschluss des Härteverfahrens einer zusätzlichen gesonderten Behandlung unterworfen hat, um Bereiche unterschiedlicher Härte zu erzeugen. Dies geschah üblicherweise, indem man bei der Herstellung von Tellerfedern der genannten Art entweder die Bereiche, in denen eine grössere Härte erzielt werden sollte, mit einem widerstandsfähigen Material, z. B. Molybdän, beschichtete oder hartverchromte oder die Tellerfeder für den Bereich grösserer Härte einer zweiten vollständigen Härtebehandlung unterwarf. Derartige Zusatz- oder Sonderbehandlungen sind in jedem Fall umständlich und kostspielig und beinhalten ausserdem die Gefahr, dass sich die Tellerfeder verzieht und folglich für den beabsichtigten Verwendungszweck untauglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anlage zu schaffen, die eine serienmässige, vollautomatische verzugsarme thermomechanische Behandlung von Bereiche unterschiedlicher Härte aufweisenden flächigen Werkstücken, insbesondere Tellerfedern der genannten Art, gestatten. Dabei sollte insbesondere die Möglichkeit geschaffen werden, Produkte mit einem vorgegebenen, genau definierten Gefüge und den angestrebten Eigenschaften mit im Vergleich zu den bekannten Verfahren verringertem Arbeits-, Zeit- und Energieaufwand und ohne die Notwendigkeit von aufwendigen und kostspieligen Sonderbehandlungen zu erhalten.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im Anspruch 1 definierte Verfahren und mit Hilfe der im Anspruch 4 definierten Anlage gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen erwähnt.
Das Verfahren nach Anspruch 1 bietet erstmals die Möglichkeit, flächige Werkstücke mit Bereichen unterschiedlicher Härte in einem Arbeitsgang und mit einer bisher nicht gekannten Formgenauigkeit und Güte herzustellen. Die so erhaltenen Werkstücke können ohne jede Nachbehandlung direkt ihrer Zweckbestimmung zugeführt werden und entsprechen hinsichtlich ihrer Gefügestruktur und ihrer mechanischen Eigenschaften in vollkommener Weise den an sie gestellten Anforderungen.
Von besonderem Vorteil ist die Ausgestaltung nach Anspruch 2, die es gestattet, Bereiche unterschiedlicher Härte aufweisende Tellerfedern aus dünnem Stahlblech mit einem äusseren geschlossenen Ringteil, einer zentralen Oeffnung und mit vom Ringteil sich radial gegen die Oeffnung erstreckenden Lamellen, die in einem an die Oeffnung angrenzenden Bereich eine im Vergleich zum übrigen Teil der Tellerfeder grössere Härte aufweisen, herzustellen.
Mit Hilfe dieser Ausgestaltung können in einem Arbeitsgang Tellerfedern erhalten werden, die an den Lamellenenden eine grössere Härte aufweisen als in den übrigen Bereichen und sich durch eine hohe Massgenauigkeit und Güte auszeichnen und ohne jegliche weitere Nach- oder Sonderbehandlung direkt ihrer Verwendung zugeführt werden können. Sie entsprechen sowohl hinsichtlich der Massgenauigkeit als aüch ihrer Gefügestruktur und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Verschleissfestigkeit, mechanische Widerstandsfähigkeit, Dauerfestigkeit und Ermüdungswiderstand, allen an sie gestellten Anforderungen.
Die Anlage der eingangs erwähnten Art weist insgesamt vier Behandlungsstationen auf, nämlich eine Erwärmungseinrichtung zur induktiven Erwärmung der Werkstückes als erste Behandlungstation, eine mit mindestens einer von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Form ausgestattete Härtepresse als zweite Behandlungsstation, eine Anlasseinrichtung als dritte Behandlungsstation und eine mit mindestens einer kühlbaren Form ausgestattete Kühleinrichtung als vierte und letzte Behandlungsstation, wobei alle Behandlungsstationen mit einer zentralen Programmsteuereinrichtung gekoppelt und durch diese steuerbar sind. Diese Anlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Anlasseinrichtung eine beheizbare Form aufweist, deren Formausnehmung jener des geformten und gehärteten Werkstückes entspricht, derart, dass im Bereich der Formausnehein direkter Wärmeübergang von der beheizbaren Form auf die in die Fotmausnehmung hineinragenden Teile der Werkstückes verhindert wird. Dadurch wird erreicht, dass diese Teile auf eine niedrigere Temperatur erwärmt werden als die übrigen Teile des Werkstückes und folglich die auf eine niedrigere Temperatur erwärmten Bereiche des Werkstückes im fertigen Endprodukt eine grössere Härte aufweisen als seine übrigen Bereiche.
Die Wirksamkeit der örtlich differenzierten Erwärmung wird noch verbessert, wenn eine Zuführungseinrichtung zum Einblasen von Pressluft im Bereich der Formausnehmung vorgesehen ist.
Besonders gute Ergebnisse werden mittels der Ausgestaltung nach Anspruch 6 erzielt. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die örtlich differenzierte Erwärmung so zu steuern, dass eine exakte Anpassung an die zur Erzielung vorgegebener Eigenschaften des Endproduktes erforderlichen metallurgischen Parameter erreicht wird.
Betrachtet man das Verfahren in seiner Gesamtheit, so ergeben sich neben der Möglichkeit einer örtlich differenzierten Wärmebehandlung, mit deren Hilfe flächige Werkstücke mit Bereichen unterschiedlicher Härte erhalten werden, noch weitere wesentliche Vorteile. So wird beispielsweise dadurch, dass die einzelnen Behandlungsschritte unmittelbar aufeinander folgen und die Förderzeiten zwischen den einzelnen Behandlungsstationen nur Bruchteile der Verweilzeiten in den einzelnen Behandlungsstationen betragen, erreicht, dass die Ueberführung des Werkstückes von eine Behandlungsstation zur nächsten ohne Wärmeverlust durchführbar ist. Dies begünstigt in nicht zu unterschätzender Weise die Qualität des Endproduktes. Ausserdem ermöglicht die laufende Ueberwachung des Temperaturverlaufes in den einzelnen Behandlungstationen während des gesamten Verfahrensablaufs und die Einspeisung der erhaltenen Messdaten in eine zentralen Programmsteuerung die exakte Einstellung des Tempperatur-Zeit-Verlaufes in den einzelnen Behandlungsstationen während des gesamten Verfahrensablaufs entsprechend einem vorgegebenen, durch Versuche und/oder rechnerische ermittelten metallurgischen Programm.
Auf diese Weise gelingt es, Werkstücke, insbesondere Tellerfedern für die Verwendung in der Automobilindustrie, zu erhalten, deren Gefügestruktur und damit ihre mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Verschleissfestigkeit, mechanische Widerstandsfähigkeit, Dauerfestigkeit und Ermüdungswiderstand, genau den an sie gestellten Anforderungen entsprechen und dies auch während langdauerndem Einsatz.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben ; dabei zeigen :

Figur 1 : Blockdiagramm einer Anlage zur serienmässigen thermomechanischen Behandlung von flächigen Werkstücken ; Figur 2: eine Tellerfeder als Beispiel für eine unter Verwendung der anlage herzustellendes Werkstück ;
Figur 3: die Tellerfeder im Längsschnitt VII-VII der Figur 2 ;
Figur 4: eine Fördervorrichtung zum Ueberführen von Werkstücken zwischen den Behandlungsstationen, in Ansicht quer zur Förderrichtung ;
Figur 5 : die Fördervorrichtung nach Figur 4, in Ansicht in Förderrichtung ;
Figur 6: Blockdiagramm einer anderen Anlage zur serienmässigen thermomechanischen Behandlung von flächigen Werkstücken.

Das Blockdiagramm in Figur 1 zeigt eine Anlage, die zur Härtung 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 Behandlungsstation ;
eine Härtepresse 4 als zweite Behandlungsstation ;
eine Anlasseinrichtung 6 als dritte Behandlungsstation ;
eine Kühleinrichtung 8 als vierte Behandlungsstation.

Die Erwärmungseinrichtung 2, die Härtepresse 4, die Anlasseinrichtung 6 und die Kühleinrichtung 8 sind horizontal nebeneinander angeordnet, und zwar derart, dass zu behandelnde Werkstücke 10 in Richtung der Pfeile F_1' F₂ und F₃ von der ersten bis zur vierten Behandlungsstation befördert und jeweils von unten in die einzelnen Behandlungsstationen eingefahren werden können.
Die Erwärmungseinrichtung 2 ist als Platteninduktor 12 mit zwei einander gegenüberstehenden Platten 14 und 16 ausgebildet, 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 Schwingkreises 20 mit Energie beaufschlagt. Ausserdem ist ein Messfühler 22 zur berührungslosen Messung der Endtemperatur vorgesehen. Die vom Messfühler 22 gelieferten Messwerte werden in eine zentrale Prozesssteuerungseinrichtung eingespeist.
Weiterhin kann die Erwärmungseinrichtung 2 mit einer gestrichelt angedeuteten Schutzgasvorrichtung 24 zum Erwärmen in einer Schutzgasatmosphäre ausgestattet sein.
Neben der Erwärmungseinrichtung 2 ist auf gleicher Höhe die Härtepresse 4 mit einer kühlbaren Form 26 angeordnet. Diese weist einen ersten horizontal verschiebbaren Formteil 28, der mit einer Kühleinrichtung 30 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeordneten feststehenden Formteil 32, der mit einer zweiten Kühleinrichtung 34 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, auf. Ausserdem sind rücknehmbare Anschläge, insbesondere Zentrierdorne 36, zur Halterung des Werkstückes 10 vorhanden. Die erste Kühleinrichtung 30 und die zweite Kühleinrichtung 34 sind zweckmässigerweise an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, der mit einer Regeleinrichtung zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur verbunden sein kann.
Auf gleicher Höhe neben der Härtepresse 4 ist die Anlasseinrichtung 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 Werkstückes 10 sind rücknehmbare Anschläge oder Zentrierdorne 48, vorgesehen. Um eine örtlich differenzierte Erwärmung des Werkstückes 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 Heizvorrichtung 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 angeordnet. Diese entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der Härtepresse 4 und ist dazu bestimmt, ein verzugsfreies Abkühlen eines aus der Anlasseinrichtung 6 ankommenden geformten und vergüteten Werkstückes 54 in eingespanntem Zustand und mit geregeltem Temperatur-/Zeitverlauf zu gewährleisten. Die kühlbare Form 56 weist einen ersten horizontal verschiebbaren Formteil 58, der mit einer ersten Kühleinrichtung 60 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeordneten Formteil 62, der mit einer zweiten Kühleinrichtung 64 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, auf. Ausserdem sind rücknehmbare Anschläge oder Zentrierdorne 66, zur Halterung des Werkstückes 54 vorhanden. Die erste Kühleinrichtung 60 und die zweite Kühleinrichtung 64 sind zweckmässigerweise an einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, der mit einer Regeleinrichtung zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur verbunden sein kann.
Die Anlage wird bevorzugt zur Herstellung von Werkstücken mit geringer Dicke, beispielsweise einer Tellerfeder 68 gemäss Figur 2 verwendet. Die Tellerfeder 68 weist einen äusseren 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 Oeffnung 72 verlaufende Lamellen 74 gebildet sind. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, weist die Tellerfeder 68 Zonen unterschiedlicher Härte auf. So beträgt zum Beispiel die Härte im Ringteil 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 Behandlungsstation, die Erwärmungseinrichtung 2, die den Platteninduktor 12 enthält, wird jeweils eine Ausstanzen aus Stahlblech mit einer Dicke von 1,5 bis 2,5 mm hergestellte, als Rohling vorliegende Tellerfeder 68 eingebracht. Die Tellerfeder 68 kann zum Beispiel mit Hilfe von Magnetgreifern einem auf einer Auflage, zum Beispiel einem drehbaren Rundtisch, aufgestapelten Vorrat an Rohlingen entnommen und von unten in den Platteninduktor 12 eingefahren werden. Mittels der rücknehmbaren Anschläge 18 wird die Tellerfeder 68 zwischen den Platten 14 und 16 des Platteninduktors gehalten. Dabei sind die Anschläge 18 bevorzugt so ausgebildet, dass die Tellerfeder 68 während des Erwärmens gedreht werden kann. Der Platteninduktor wird mittels des Schwingkreises 20 beispielsweise mit 60 kVA beaufschlagt und bewirkt eine Erwärmung der Tellerfeder 68 auf ihre Austenitisierungstemperatur von 900 bis 1 100 °C. Der Temperaturverlauf bis zum Erreichen der Ausdenitisierungstemperatur wird mittels des Messfühlers 22 überwacht. Der Messfühler 22 ist so ausgebildet, dass er eine berührungsfreie Temperaturmessung erlaubt. Die erhaltenen Messwerte werden in eine zentrale Programmsteuereinrichtung eingegeben und können auf einem Monitor verfolgt und mit dem für ein bestimmtes Gefüge berechneten und/oder durch Versuche ermittelten Verlauf der Erwärmungskurve abgeglichen werden.

Sobald die Austenitisierungstemperatur erreicht ist, wofür nur wenige Sekunden, zum Beispiel 15 Sekunden, erforderlich sind, wird die Tellerfeder 68 durch Zurücknehmen der rücknehmbaren Anschlage 18 nach unten freigegeben und mittels einer ersten Fördervorrichtung 80 gemäss Figur 4 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 eingespannt und entsprechend der Formgebung der Form 26 unter Anwendung, eines Druckes von beispielsweise 6 Mp in die gewünschte, in den Figuren 2 und 3 gezeigte Form gebracht. Dabei wird der plane Rohling kegelmantelförmig verformt. Der erste Formteil 28 wird dabei mittels der Kühleinrichtung 30 auf der zum Abschrecken erforderlichen Temperatur gehalten, desgleichen der zweite Formteil mittels der zweiten Kühleinrichtung 34. Die Einstellung und Aufrechterhaltung der Temperatur kann dabei in der Weise erfolgen, dass beide Kühleinrichtungen an einen gemeinsamen, mit einer Regeleinrichtung zur Temperaturregulierung ausgestatteten Kühlmittelkreislauf angeschlossen werden. Die im Einzelfall einzustellende Temperatur hängt dabei von den zu erzielenden mechanischen Eigenschaften 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 Anlasseinrichtung 6 transportiert und dort in die beheizbare Form 38 eingespannt. Das Einspannen erfolgt dabei durch horizontale Verschiebung des ersten Formteiles 40, der mittels der ersten Heizvorrichtung 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 freien Enden der Lamellen 74 angeordnet ist, wird eine örtlich differenzierte Erwärmung der Tellerfeder 68 erreicht, derart, dass nur der Bereich des Ringteiles 70 und der benachbarte Bereicht 76 direkt erwärmt werden, während die Erwärmung des Bereiches 78 ausschliesslich durch Wärmeleitung innerhalb der Tellerfeder 68 erfolgt. Dabei kann eine noch stärkere örtliche Differenzierung der Erwärmung erreicht werden, wenn der Bereich 78 zusätzlich durch Einblasen von Pressluft mittels der Zuführungseinrichtung 51 gekühlt wird. Durch die Erwärmung - auf beispielsweise etwa 550 °C - werden die geforderten Härtewerte innerhalb von wenigen Sekunden erreicht (beschleunigtes Anlassen). Dadurch wird erreicht, dass die Tellerfeder 68 im Bereich 78 eine höhere Härte aufweist als in den übrigen Bereichen. Die Heizvorrichtungen 42 und 46 sind ausserdem 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 Anlassprozess wird eine Martensitversprödung vermieden. Mit kurzen Anlasszeiten von einigen Sekunden bei entsprechend höheren Temperaturen werden bessere mechanische Eigenschaften erreicht. Die Temperatur kann mittels eines Messfühlers überwacht und die erhaltenen Messwerte einer zentralen Steuereinrichtung eingespeist werden. Der Temperatur-/Zeitverlauf kann dabei mittels eines Monitors verfolgt und mit dem für ein bestimmtes Gefüge berechneten und/oder durch Versuche ermittelten Verlauf der Erwärmungskurve abgeglichen werden.
Anschliessend wird die geformte und gehärtete Tellerfeder 68 durch Oeffnen der beheizbaren Form 38 und Zurückziehen des Zentrierdorns 48 freigegeben und mittels einer dritten Fördervorrichtung 84, die der ersten und der zweiten Fördervorrichtung entspricht, der vierten Behandlungsstation, der Kühleinrichtung 8 zugeführt. Diese ist entsprechend der Härtepresse 4 ausgebildet. Die mittels der Fördervorrichtung 84 zugeführte, 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 geschlossen 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 unterworfen werden muss.
Während des gesamten Prozesses werden alle Behandlungsstationen 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 4 und 5 zeigen die Fördervorrichtung 80, die insbesondere zum Umsetzen von vorzugsweise aufrechtstehenden flachen Werkstücken, wie insbesondere Tellerfedern 68 gemäss den Figuren 2 und 3, geeignet ist. Die Fördervorrichtung 80 enthält einen Halter .86 mit einem Mitnehmer 88, an dem längs eines Kreisbogens, dessen Radius dem der Tellerfedern entspricht, drei Greifer 90 angeordnet sind. Die drei Greifer sind mindestens an dem mit der Tellerfeder zusammenwirkenden gabelartigen Teil mit einem Werkstoff mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit versehen. Der Halter 86 ist an einer Parallelogrammführung 92 angeordnet, die zwei Parallelogrammarme 94 aufweist, welche einerseits über Lager 96 mit dem Halter 86 und andererseits über Wellen 98 mit dem Gestell 100 der Anlage verbunden sind. An den Parallelogrammarmen 94 sind Stellschrauben 102, 104 zum Einstellen der Endstellungen des Mitnehmers 88 angeordnet. An einer Welle 98 ist eine Antriebsvorrichtung 106 angeschlossen, die vorzugsweise mit der zentralen Programmsteuereinrichtung verbunden ist.
Der Mitnehmer 88 der Fördervorrichtung führt eine kurvenförmige Bewegung aus, die im vorliegenden Falle kreisbogenförmig ist. Der Mitnehmer fährt von unten her in eine Behandlungsstation ein, erfasst den unteren Teil eines Werkstückes, beispielsweise einer Tellerfeder, die nach Zurücknehmen von Anschlägen in der Behandlungsstation frei nach unten ausgefahren, längs eines Kreisbogens zur nächsten Behandlungsstation und dort von unten wieder eingefahren werden kann. Nach dem Setzen der Anschläge in der Behandlungsstation wird das Werkstück 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 insbesondere für Werkstücke mit grösseren Abmessungen, z. B. einem Durchmesser von angenähert 0,5 m oder mehr.
Das Blockdiagramm in Figur 6 zeigt eine Anlage, die zur Härtung 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 Behandlungsstation ;
eine Härtepresse 112 als zweite Behandlungsstation ;
eine Anlasseinrichtung 114 als dritte Behandlungsstation ; 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 übereinander 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 Vorspanneinrichtung 122 ausgestattet, mittels der die Werkstücke 120 gegen eine Austrittsseite 124 vorgespannt sind und in Richtung 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 ausgestossen 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 rücknehmbaren Anschlägen 136, z. B. zurückziehbare oder ausklappbare Keramikstifte, ausgestattet sind.
Ausserdem kann die Erwärmungseinrichtung 110 mit einer gestrichelt 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 ausgestattet ist, und einen zweiten, auf gleicher Höhe angeordneten feststehenden Formteil 146, der mit einer zweiten Kühleinrichtung 148 zur indirekten Kühlung ausgestattet ist, auf. Ausserdem ist ein Zentrierdorn 150 zur Halterung des Werkstückes 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 mittels einer ersten Heizvorrichtung 156 beheizbar ist, und einen zweiten Formteil 158, der mittels einer zweiten Heizvorrichtung 160 beheizbar ist. Zur Halterung des Werkstückes 120 ist ein Zentrierdorn 162 vorgesehen. Um eine örtlich differenzierte Erwärmung des Werkstückes 120 zu erreichen, ist der zweite Formteil 158 mit einer Ausnehmung 164 versehen, durch die ein direkter Wärmeübergang vermieden wird. Ausserdem ist eine Zuführungseinrichtung 166 zum Einblasen von Druckluft vorgesehen. Die erste Heizvorrichtung 156 und die zweite Heizvorrichtung 160 sind mit einer Steuereinheit 168 zur Steuerung des Temperatur- /Zeitverlaufs verbunden.
Unterhalb der Anlasseinrichtung 114 ist die Abführeinrichtung 116, z. B. eine Fördereinrichtung 170, vorzugsweise ein Förderband 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 besonderen Fällen ist jedoch möglich entweder die erste Behandlungsstation, das heisst den Platteninduktor, oder die ganze Anlage mit einer Schutzgaseinrichtung zu versehen. Als Schutzgas 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

1. Verfahren zur serienmässigen vollautomatischen verzugsarmen thermomechanischen Behandlung von Bereiche unterschiedlicher Härte aufweisenden flächigen Werkstücken aus härtbaren metallischen Werkstoffen, wobei das Verfahren mindestens vier Verfahrensstufen aufweist, und zwar:

Induktives Erwärmen des Werkstückes auf seine Austenitisierungstemperatur in einer Erwärmungseinrichtung als erster Behandlungsstation ;

Abschrecken des erwärmten Werkstückes auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb Raumtemperatur in einer mit mindestens einer von einer Kühlfüssigkeit durchflossenen kühlbaren Form ausgestatteten Härtepresse als zweiter Behandlungsstation bei gleichzeitiger Formgebung durch Einspannen und Anwenden von Druck ;

Anlassen des abgeschreckten und geformten Werkstückes in einer mit mindestens einer beheizbaren Form ausgestatteten Anlasseinrichtung als dritter Behandlungsstation ; und

geregeltes Abkühlen des geformten, gehärteten und angelassenen Werkstückes in eingespanntem Zustand in einer mit mindestens einer kühlbaren Form ausgestatteten Kühleinrichtung als vierter Behandlungsstation,
wobei die Ueberführung von einer Behandlungsstation zur nächsten ohne Wärmeverlust durchgeführt wird und wobei während des gesamten Verfahrensablaufs der Temperaturverlauf in den einzelnen Behandlungsstationen laufend überwacht wird und die erhaltenen Messwerte einer zentralen Programmsteuerung zugeführt werden und der Temperatur-Zeit-Verlauf während des gesamten Verfahrensablaufs in den einzelnen Behandlungsstufen mittels der zentralen Programmsteuerung entsprechend einem vorgegebenen, durch Versuche und/oder rechnerisch ermittelten metallurgischen Programm eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man in der dritten Behandlungsstation eine örtlich differenzierte Wärmebehandlung durchführt, derart, dass das Werkstück bereichsweise auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wird, wobei diejenigen Bereiche des Werkstückes, die im Endzustand eine grössere Härte aufweisen sollen als die übrigen Bereiche, bei einer Temperatur angelassen werden, die niedriger ist als die auf die übrigen Bereiche angewendete Temperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung von Bereiche unterschiedlicher Härte aufweisenden Tellerfedern (68) aus dünnem Stahlblech mit einem äusseren geschlossenen Ringteil (70), einer zentralen Oeffnung (72) und mit vom Ringteil (70) sich radial gegen die Oeffnung (72) erstrekkenden Lamellen (74), die in einem an die Oeffnung (72) angrenzenden Bereich (78) eine im Vergleich zum übrigen Teil der Tellerfeder (68) grössere Härte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Tellerfeder (68) in der beheizbaren Form (38) der Anlasseinrichtung (6) auf Anlasstemperatur erwärmt, derart, dass man die freien Enden der Lamellen (74) im Bereich (78) einer vom übrigen Teil der Tellerfeder (68) abweichenden Wärmebehandlung aussetzt und/oder Pressluft einbläst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die freien Enden der Lamellen (74) im Bereich (78) in eine Ausnehmung (50) der Form (38) hineinragen lässt, wodurch ein direkter Wärmeübergang von der Form (38) zu den freien Enden der Lamellen (74) im Bereich (78) verhindert wird.

4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Erwärmungseinrichtung (2) zur induktiven Erwärmung des Werkstückes als erster Behandlungstation, einer mit mindestens einer von einer Kühlflüssigkeit durchflossenen Form (26) ausgestatteten Härtepresse (4) als zweiter Behandlungsstation, einer Anlasseinrichtung (6), als dritter Behandlungsstation und einer mit mindestens einer kühlbaren Form (56) ausgestatteten Kühleinrichtung (8) als vierter Behandlungsstation, wobei die Behandlungsstationen (2, 4, 6, 8) mit einer zentralen Programmsteuereinrichtung gekoppelt und durch diese steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasseinrichtung (6) eine beheizbare Form (38) aufweist, deren Formausnehmung jener des gehärteten und geformten Werkstückes (54, 68) entspricht, und die zwei Formteile (40, 44) aufweist, von denen mindestens einer zum Geffnen und Schliessen der Form (38) verfahrbar ist, und von denen mindestens einer mit einer Heizvorrichtung (42, 46) ausgestattet ist, und dass sie zur örtlich differenzierten Erwärmung des Werkstückes (54, 68) ausgebildet ist, wobei die Formteile (40, 44) mindestens eine den direkten Wärmeübergang verhindernde Ausnehmung (50) aufweisen.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführungseinrichtung (51) zum Einblasen von Pressluft im Bereich der Ausnehmung (50) vorgesehen ist.

6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (42, 46) der Anlasseinrichtung (6) mit einer Steuereinheit (52) zur Einstellung von Anlasstemperatur und/oder Anlassdauer verbunden ist.