Title:
Centering device for induction thermal treatment plant for welding process, comprises reception element, in which center reception is formed for receiving workpiece to be subjected to induction thermal treatment, and coolant channel
Kind Code:
A1


Abstract:
The centering device (10) for an induction thermal treatment plant, comprises a reception element (12), in which a center reception (22) is formed for receiving a workpiece to be subjected to the induction thermal treatment, and a coolant channel formed in the reception element. The reception element is detachably fixed at the device by a holding element (14), which has a clamping device (16) for fastening the reception element. The coolant channel is formed, so that it enables the supply of a coolant to the workpiece to be subjected to the induction thermal treatment. An independent claim is included for an induction thermal treatment plant.



Inventors:
Leutz, Dieter (Lichtenwald, 73669, DE)
Application Number:
DE102006053384
Publication Date:
05/15/2008
Filing Date:
11/13/2006
Assignee:
HWG Inductoheat GmbH (Reichenbach, 73262, DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte (München, 81541)
Claims:
1. Zentriervorrichtung (10) für eine Induktionswärmebehandlungsanlage mit einem Aufnahmeelement (12), in dem eine Zentrieraufnahme (22) zur Aufnahme eines einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks (24) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (12) der Zentriervorrichtung (10) aus Titan, einer Titanlegierung oder einem Titanverbundwerkstoff besteht.

2. Zentriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung oder der Titanverbundwerkstoff Aluminium, Vanadium, Zinn, Molybdän, Zirkonium oder Chrom enthält.

3. Zentriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Titanverbundwerkstoff Verstärkungselemente, insbesondere Siliziumcarbidfasern enthält.

4. Zentriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Halteelement (14), an dem das Aufnahmeelement (12) lösbar befestigt ist.

5. Zentriervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (14) eine Klemmvorrichtung (16) zur Befestigung des Aufnahmeelements (12) aufweist.

6. Zentriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aufnahmeelement (12) ein Kühlmittelkanal (26) ausgebildet ist.

7. Zentriervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (26) so ausgebildet ist, dass er die Zufuhr eines Kühlmittels zu dem einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstück (24) ermöglicht.

8. Induktionswärmebehandlungsanlage mit einer Zentriervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage mit einem Aufnahmeelement, in dem eine Zentrieraufnahme zur Aufnahme eines einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks ausgebildet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine mit einer derartigen Zentriervorrichtung ausgestalte Induktionswärmebehandlungsanlage.

Elektrisch zu betreibende Induktionswärmebehandlungsanlagen sind weit verbreitet und werden beispielsweise zur Durchführung von Härtungsbehandlungen, zur Durchführung von Schweiß- und Sinterprozessen sowie für spezielle Anwendungen, wie z.B. die Erwärmung von Materialien im Vakuum oder unter Schutzgas eingesetzt, welche mit einer herkömmlichen Gaserwärmung nicht zu realisieren wären. Eine Induktionswärmebehandlungsanlage umfasst üblicherweise einen durch eine primäre Spule gebildeten Induktor, der ein magnetisches Wechselfeld aufbaut. Ein zu bearbeitendes Werkstück bildet eine kurzgeschlossene Spule. Wenn durch die primäre Spule ein Wechselstrom fließt, wird in dem Werkstück eine Spannung induziert, welche im Werkstück induzierte Wirbelströme zur Folge hat. Dieser Strom führt zu einer Erwärmung des Materials des Werkstücks.

Bei der induktiven Erwärmung wird die Wärme somit nicht von der Oberfläche her in das Werkstück eingetragen sondern entsteht im Werkstück selbst. Grundsätzlich lassen sich alle elektrisch leitenden Stoffe induktiv erwärmen. In der Praxis werden jedoch hauptsächlich Metalle und Legierungen aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit induktiv erwärmt.

Wesentliche Vorteile der induktiven Erwärmung von Werkstücken sind der hohe Wirkungsgrad, die hohe Wiederholgenauigkeit, die Möglichkeit einer punktuellen Erwärmung ohne Erwärmung der Peripherie sowie flexible Anpassungsmöglichkeiten der Induktionswärmebehandlungsanlage an verschiedene, auch komplex geformte Werkstücke. Außerdem ist eine schnelle Erwärmung und ein hoher Durchsatz der Werkstücke realisierbar.

Weitere Vorteile sind die gleichmäßige Aufheizung der zu erwärmenden Stellen sowie die kurzen Erwärmungszeiten, was eine geringe Zunderbildung auf der Oberfläche der behandelten Werkstücke zur Folge hat. In vielen Fällen ist daher keine Nachbearbeitung der behandelten Werkstücke erforderlich. Ferner wird durch die lediglich kurzzeitige Erwärmung Grobkornbildung durch Überzeiten oder Überhitzen vermieden. Darüber hinaus ist die Wärmezufuhr sicher zu beherrschen, so dass die erforderlichen Temperaturen einfach erreicht und eingehalten werden können. Dadurch ist der Verzug der behandelten Werkstücke im allgemeinen gering. Schließlich können Induktionswärmebehandlungsanlagen direkt in die Fertigungsstraßen integriert werden, wobei der Platzbedarf gering, die Bedienung im Serienbetrieb einfach und die Arbeitsweise sauber und nicht gesundheitsgefährdend ist.

In Induktionswärmebehandlungsanlagen und insbesondere in Induktionshärtungsanlagen ist es häufig erforderlich, ein zu behandelndes Werkstück zu zentrieren. Eine genaue Zentrierung des zu behandelnden Werkstücks ist insbesondere dann erforderlich, wenn lediglich Teile des Werkstücks induktiv erwärmt werden sollen. In Induktionswärmebehandlungsanlagen eingesetzte Zentriervorrichtungen berühren oder umhüllen in der Regel einen zu erwärmenden Teil des einer induktiven Wärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks und sind dadurch unmittelbar dem von dem Induktor der Induktionswärmebehandlungsanlage erzeugten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Darüber hinaus stehen die Zentriervorrichtungen in direktem Wärmekontakt mit dem induktiv zu erwärmenden Werkstückteil. Infolge dessen sind die Zentriervorrichtungen insbesondere an den Kontaktstellen mit dem einer induktiven Wärmebehandlung zu unterziehenden Werkstück hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.

Um eine Konzentration des von dem Induktor der Induktionswärmebehandlungsanlage erzeugten magnetischen Wechselfelds auf das zu behandelnde Werkstück und eine Beschränkung der Wärmeabfuhr aus den induktiv erwärmten Bereichen des Werkstücks zu gewährleisten, bestehen gegenwärtig in Induktionswärmebehandlungsanlagen für Erwärmungsarbeiten eingesetzte Zentriervorrichtungen üblicherweise aus einem Kupfermaterial. Für Härtungsarbeiten werden dagegen keramische Zentriervorrichtungen verwendet.

Keramische Zentriervorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie aufgrund der inhärenten Sprödigkeit und der hohen Härte des Keramikmaterials extrem schwierig zu bearbeiten sind. Infolge dessen können die Zentriervorrichtungen nur in begrenztem Maße an die Geometrie der in der Induktionswärmebehandlungsanlage zu erwärmenden bzw. zu härtenden Werkstücke angepasst werden. Dies wirkt sich insbesondere bei komplex geformten Werkstücken nachteilig aus. Darüber hinaus sind keramische Zentriervorrichtungen nur eingeschränkt mechanisch belastbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage bereitzustellen, die in der Lage ist, den im Betrieb der Induktionswärmebehandlungsanlage auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen standzuhalten und die darüber hinaus in einfacher Art und Weise an die Geometrie der einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücke angepasst werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage ein Aufnahmeelement, in dem eine Zentrieraufnahme zur Aufnahme eines einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks ausgebildet ist, aus Titan, einer Titanlegierung oder einem Titanverbundwerkstoff. Mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung besteht zumindest das Bauteil, das unmittelbar dem von dem Induktor der Induktionswärmebehandlungsanlage erzeugten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist und das unmittelbar mit dem induktiv zu erwärmenden Werkstückteil in Wärmekontakt steht, aus einem Titanmaterial.

Titan ist unmagnetisch und weist einen Schmelzpunkt (1677 °C) auf, der oberhalb des Curiepunkts von Stahlwerkstoffen liegt. Darüber hinaus hat Titan im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Ferner zeichnen sich insbesondere Titanlegierungen durch eine hohe mechanische Festigkeit auch bei Dauerbeanspruchung bei erhöhten Temperaturen aus. Schließlich können Titanmaterialien auf herkömmlichen Maschinen und mit herkömmlichen Werkzeugen auf verhältnismäßig einfache und kostengünstige Art und Weise bearbeitet werden.

Bei einer aus einem Titanmaterial bestehenden Zentriervorrichtung kann somit eine Abschirmung des von dem Induktor der Induktionswärmebehandlungsanlage erzeugten magnetischen Wechselfelds zuverlässig vermieden werden. Darüber hinaus ist eine aus einem Titanmaterial bestehende Zentriervorrichtung dazu in der Lage, den im Betrieb der Induktionswärmebehandlungsanlage auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen Stand zu halten. Schließlich erlaubt es die verhältnismäßig einfache Bearbeitbarkeit von Titanmaterialien, Zentriervorrichtungen herzustellen, deren Geometrie optimal an die Geometrie eines einer Induktivenwärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks angepasst ist. Dadurch wird die Induktionswärmebehandlung von Werkstücken mit komplexen Geometrien beträchtlich vereinfacht.

Das zur Herstellung des Aufnahmeelements der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung eingesetzte Titanmaterial kann Legierungselemente, wie zum Beispiel Aluminium, Vanadium, Zinn, Molybdän, Zirkonium oder Chrom enthalten. Die in der Titanlegierung oder dem Titanverbundwerkstoff eingesetzten Legierungselemente können dazu dienen, die thermischen und/oder die mechanischen Eigenschaften des Materials zu optimieren.

Wenn zur Herstellung des Aufnahmeelements der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung ein Titanverbundwerkstoff verwendet wird, kann dieser Titanverbundwerkstoff eine aus Titan oder einer Titanlegierung bestehende Matrix enthalten, in die Verstärkungselemente eingelagert sind. Als Verstärkungselement können beispielsweise Siliziumcarbidfasern zum Einsatz kommen. Ein derartiger Titanverbundwerkstoff zeichnet sich durch exzellente thermische und mechanische Eigenschaften aus.

Bei der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung ist das Aufnahmeelement vorzugsweise lösbar an einem Halteelement befestigt. Das Halteelement kann ebenfalls aus Titan, einer Titanlegierung oder einem Titanverbundwerkstoff bestehen. Vorzugsweise besteht das Halteelement jedoch aus einem anderen Material, wie zum Beispiel Stahl. Bei einer Zentriervorrichtung, die ein Halteelement sowie ein lösbar an dem Halteelement befestigtes Aufnahmeelement umfasst, kann das Halteelement fest in der Induktionswärmebehandlungsanlage eingebaut sein. Vorzugsweise ist das Halteelement so gestaltet, dass an dem Halteelement verschiedene Aufnahmeelemente lösbar befestigt werden können. Dadurch kann eine mit einer derartigen Zentriervorrichtung ausgestattete Induktionswärmebehandlungsanlage auf besonders rasche, einfache und damit kostengünstige Art und Weise für die Behandlung von Werkstücken mit unterschiedlichen Geometrien umgerüstet werden.

Vorzugsweise weist das Halteelement der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung eine Klemmvorrichtung zur Befestigung des Aufnahmeelements auf. Das Aufnahmeelement kann dann besonders rasch und einfach an dem Halteelement befestigt bzw. von dem Halteelement gelöst werden. Beispielsweise kann das Aufnahmeelement einen mit der Klemmvorrichtung zusammenwirkenden Klemmabschnitt sowie einen an die Geometrie des in der Induktionswärmebehandlungsanlage zu zentrierenden Werkstücks angepassten Zentrierabschnitt aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung ist in dem Aufnahmeelement ein Kühlmittelkanal ausgebildet. Der Kühlmittelkanal ist vorzugsweise so gestaltet, dass er die Zufuhr eines Kühlmittels zu dem einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstück bzw. Werkstückteil ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Zentriervorrichtung kann dann in vorteilhafter Weise bei der Härtungsbehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere von Werkstücke aus Stahl eingesetzt werden, bei der die Werkstücke zunächst in sehr kurzer Zeit (ggf. Bruchteile von Sekunden) auf eine entsprechende Härtetemperatur erwärmt und anschließend wieder abgeschreckt werden. Als durch den Kühlmittelkanal zuzuführendes Abschreckmittel kann Wasser, Luft, Öl oder eine Emulsion eingesetzt werden.

Der Kühlmittelkanal kann beispielsweise durch in dem Aufnahmeelement der Zentriervorrichtung ausgebildete Querbohrungen oder Schlitze gebildet werden, durch die das Kühlmittel in ausreichender Menge zu dem induktiv erwärmten und nach der Wärmebehandlung zu kühlenden Werkstück bzw. Werkstückteil gelangen kann.

Darüber hinaus ist das Aufnahmeelement der erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung vorzugsweise so konstruiert, dass eine möglichst kleine Kontaktfläche zwischen dem Aufnahmeelement und dem zu zentrierenden Werkstück entsteht. Dadurch kann der Wärmeübergang von dem induktiv zu erwärmenden Werkstück auf das Aufnahmeelement in vorteilhafter Weise minimiert werden.

Eine erfindungsgemäße Induktionswärmebehandlungsanlage ist mit einer Zentriervorrichtung ausgestattet, bei der ein Aufnahmeelement, in dem eine Zentrieraufnahme zur Aufnahme eines einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehenden Werkstücks ausgebildet ist, aus Titan, einer Titanlegierung oder einem Titanverbundwerkstoff besteht. Darüber hinaus kann die Zentriervorrichtung der erfindungsgemäßen Induktionswärmebehandlungsanlage weitere der oben beschriebenen optionalen Merkmale aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage wird im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage zeigt, und

2 ein Aufnahmeelement einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zentriervorrichtung für eine Induktionswärmebehandlungsanlage sowie ein einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehendes Werkstück zeigt.

1 zeigt eine zum Einsatz in einer Induktionswärmebehandlungsanlage vorgesehene Zentriervorrichtung 10, die dazu dient, ein einer Induktionswärmebehandlung zu unterziehendes Werkstück in der Induktionswärmebehandlungsanlage zu zentrieren. Die Zentriervorrichtung 10 umfasst ein Aufnahmeelement 12, das lösbar an einem Halteelement 14 befestigt ist.

Das Aufnahmeelement 12 der Zentriervorrichtung besteht aus einer Titanlegierung. Im Gegensatz dazu besteht das Halteelement 14 der Zentriervorrichtung 10 aus Stahl.

Zur lösbaren Befestigung des Aufnahmeelements 12 an dem Halteelement 14 weist das Halteelement 14 eine Klemmvorrichtung 16 auf, die mit einem Klemmabschnitt 18 des Aufnahmeelements 12 zusammenwirkt. Das Aufnahmeelement 12 kann somit rasch und einfach von dem Halteelement 14 gelöst und durch ein anderes Aufnahmeelement ersetzt werden.

Das Aufnahmeelement 12 weist ferner einen Aufnahmeabschnitt 20 auf. In dem Aufnahmeabschnitt 20 des Aufnahmeelements 12 ist eine Zentrieraufnahme 22 ausgebildet.

Wie insbesondere aus der 2 ersichtlich wird, ist die Geometrie der Zentrieraufnahme 22 des Aufnahmeelements 12 an die Geometrie eines in der Induktionswärmebehandlungsanlage zu zentrierenden Werkstücks 24 angepasst.

Um im Betrieb der Induktionswärmebehandlungsanlage eine ordnungsgemäße Kühlung des induktiv erwärmten Werkstücks 24 bzw. eines induktiv erwärmten Bereichs des Werkstücks 24 zu gewährleisten, ist in dem Aufnahmeabschnitt 20 des Aufnahmeelements 12 ein Kühlmittelkanal 26 ausgebildet. Über den Kühlmittelkanal 26 kann dem induktiv erwärmten Werkstück 24 bzw. dem induktiv erwärmten Bereich des Werkstücks 24 z.B. bei der induktiven Härtung des Werkstücks 24 nach dem Erwärmen ein Kühlmittel zugeführt werden. In Abhängigkeit der gewünschten Abschreckgeschwindigkeit kann als Kühlmittel Wasser, Luft, Öl oder eine Emulsion verwendet werden.