Verfahren und Vorrichtung zur Schutzbegasung von Produktionsanlagen zur Warmumformung

Abstract

 Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schutzbegasung von Produktionsanlagen zur Warmumformung. Das ausgestanzte Material wird in dem Durchlaufofen (1) erwärmt und anschließend über einen geschlossenen Transportkanal (2) in die Presse (3) geführt, wo die Verformung bei gleichzeitiger kontrollierter Abkühlung stattfindet. In dem gesamten geschlossenen System (Durchlaufofen (1), Transportkanal (2) und Presse (3)) herrscht eine sauerstoffarme Schutzgasatmosphäre. Die Einspeisung des Schutzgases (5) erfolgt über den Pressenraum und am Ende des Durchlaufofens. Nach erfolgter Verformung wird das Werkstück über eine Schleuse der Entnahmeeinrichtung (4) nach unten ausgeführt. Durch die Entnahme nach unten kommt es nur zu einem geringen Lufteinbruch in die Schleuse und die Schleuse kann vor dem erneuten Öffnen sehr schnell ausgespült werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre in einer Produktionsanlage zur Warmumformung von Metallen bestehend aus einem Durchlaufofen, einer Presse mit Pressenraum und einem geschlossenen Transportkanal zwischen dem Durchlaufofen und dem Pressenraum, wobei das Metall im Durchlaufofen erhitzt, über den Transportkanal in die Presse mit Pressenraum überführt und dort umgeformt und gleichzeitig abgekühlt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] In der Automobilindustrie werden nicht nur tiefgezogene Bleche, sondern auch Bauteile mit größeren Wandstärken und höherer Festigkeit verarbeitet, die zum Beispiel als Seitenaufprallschutz in den Türen benötigt werden. Derartige Bleche haben häufig eine komplexe Form und müssen aufgrund ihrer späteren Funktion hohe Ansprüche bezüglich ihrer Stoßfestigkeit erfüllen. Als Verfahren zur Herstellung von Blechen komplexer Form und hoher Festigkeit hat sich die Warmumformung in der Praxis etabliert.

[0003] Bei diesem Verfahren werden die ausgestanzten Metallteile in einem Durchlaufofen bis in den Temperaturbereich des Austenits erwärmt. Die heißen Metallteile werden vom Durchlaufofen in eine Presse mit Pressenraum überführt und dort in ihre jeweilige Form gepresst. Die Presse arbeitet bei einer niedrigeren Temperatur (zum Beispiel Raumtemperatur), so dass die Werkstücke während der Umformung kontrolliert abgekühlt werden. Die Kombination aus der Formgebung der heißen Materialen und ihrer kontrollierten Abkühlung führt zu einer erhöhten Festigkeit bei geringerem Gewicht im Vergleich zur Kaltumformung.

[0004] Die Durchführung des Verfahrens mit Metall ohne eine spezielle Oberflächenvorbehandlung muss in einer sauerstofffreien Atmosphäre erfolgen, da andernfalls die heiße Materialoberfläche oxidiert. Dieser Prozess wird als Verzunderung bezeichnet. Nach dem Stand der Technik herrscht im Durchlaufofen eine Schutzgasatmosphäre ohne freien Sauerstoff. Während des Transports des Werkstücks vom Durchlaufofen zur Presse in normaler Atmosphäre ist das Werkstück jedoch hinreichend lange in Kontakt mit Sauerstoff, so dass sich auf dem Werkstück vor der Verformung eine nicht mehr festsitzende Zunderschicht gebildet hat. Diese Zunderschicht muss vor der Weiterverarbeitung (Rostschutz, Lackierung oder ähnliches) mit Hilfe eines Sandstrahlverfahrens entfernt werden (siehe zum Beispiel M. Suehiro et al. "Properties of Aluminium-coated Steels for Hot-forming" Nippon Steel Technical Report 88, 16-21 (2003)).

[0005] In einem neueren Verfahren nach dem Stand der Technik wird Aluminium plattiertes Material mit einer hohen Hitzebeständigkeit eingesetzt, wodurch völlig auf den Einsatz von Schutzgas verzichtet werden kann. Das verformte Material weist eine hohe Rostbeständigkeit und Festigkeit auf (M. Suehiro et al. "Properties of Aluminium-coated Steels for Hot-forming" Nippon Steel Technical Report 88, 16-21 (2003)).

[0006] In dem neueren Verfahren kann auf das Sandstrahlen des verformten Materials verzichtet werden, allerdings ist das Aluminium plattierte Material deutlich teurer als herkömmliches Material. Zusätzlich wird die Zunderbildung nur an der Materialoberfläche, aber nicht an den Schnittkanten vom Ausstanzen der Bleche vermieden, so dass hier ebenfalls eine Nachbearbeitung erforderlich ist.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derart auszugestalten, dass die Zunderbildung bei der Warmumformung auch an den Schnittkanten der Bleche vermieden wird und auch bei herkömmlichen Materialen auf den Arbeitsgang des Sandstrahlens verzichtet werden kann.

[0008] Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schutzgas vollständig oder teilweise über den Pressenraum und/oder über den Transportkanal in den Durchlaufofen eingespeist wird, wobei die Presse mit Pressenraum über den geschlossenen Transportkanal mit dem Durchlaufofen verbunden ist, so dass eine geschlossene Schutzgasatmosphäre vom Ofeneinlass bis zum Pressenraum entsteht und das Metall erst nach der Umformung und Abkühlung aus der Schutzgasatmosphäre geführt wird.

[0009] Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Schutzgasatmosphäre auf den Transportweg und den Pressenraum auszudehnen. Dies gelingt durch die Zuführung des Schutzgases über den Pressenraum und/oder den geschlossenen Transportkanal und der Entnahme des umgeformten Metalls aus der Schutzgasatmosphäre nach der Umformung. Dadurch gelangt das Werkstück erst nach der Umformung und Abkühlung in Kontakt mit Sauerstoff und es bildet sich keine nicht festsitzende Zunderschicht aus. Durch die Einspeisung des Schutzgases in den Pressenraum gelingt es, der Pumpwirkung, welche von der sich auf und ab bewegenden Presse erzeugt wird, entgegen zu wirken. Außerdem verhindert die Zuführung des Schutzgases in den Pressenraum und/oder den Transportkanal eine zu starke Erwärmung der Presse durch die heißen Ofengase.

[0010] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Schutzgas zu gleichen Teilen über den Pressenraum und/oder Transportkanal in den Durchlaufofen und direkt am Ende des Durchlaufofens in den Durchlaufofen eingespeist. Der Durchlaufofen ist über den geschlossenen Transportkanal mit dem Pressenraum verbunden. Durch die Einspeisung des Schutzgases auch direkt in den Durchlaufofen wird eine gute Verwirbelung der Atmosphäre im Durchlaufofen und somit eine optimale und homogene Durchmischung des Schutzgases im Durchlaufofen erreicht.

[0011] Vorteilhafterweise wird das umgeformte Metall in einer Entnahmeeinrichtung über eine Schleuse nach unten entnommen. Durch die Entnahme des umgeformten Metalls über eine Schleuse wird eine Verunreinigung der Schutzgasatmosphäre durch die Atmosphäre außerhalb der Produktionsanlage (meist Luft) vermieden. Das umgeformte Metall wird nach Umformung und Abkühlung in die Schleuse geführt, in welcher Schutzgasatmosphäre herrscht. Bei einer Entnahme über die Schleuse nach unten tritt nur ein geringer Lufteinbruch in die Schleuse auf, ohne die Schutzgasatmosphäre im restlichen Teil der Produktionsanlage zu verunreinigen. Nach der Entnahme des umgeformten Metalls wird die Schleuse vor der nächsten Öffnung zum Pressenraum mit Schutzgas gespült.

[0012] In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das umgeformte Metall mit Hilfe eines Manipulators horizontal nach hinten entnommen. Während der Entnahme wird die ansonsten geschlossene Tür geöffnet und dabei die Schutzgaszufuhr erhöht. Auch in dieser Ausgestaltung wird das umgeformte Metall aus der Produktionsanlage ausgeschleust, ohne das es zu einer Verunreinigung der Schutzgasatmosphäre der Produktionsanlage kommt. Der Einsatz einer Entnahme nach hinten erweist sich dabei an einigen Standorten der Produktionsanlage als besonders günstig. Eine Erhöhung der Schutzgaszufuhr stellt sicher, dass die Verunreinigung der Schutgasatmosphäre durch die Entnahme des umgeformten Metalls minimiert wird.

[0013] Bevorzugt wird der Kohlendioxidgehalt der Schutzgasatmosphäre im hinteren Bereich des Durchlaufofens über einen Atmosphärenregelkreislauf eingestellt. Im hinteren Bereich des Durchlaufofens wird die Zusammensetzung der Atmosphäre im Durchlaufofen durch eine Messung des Kohlendioxidgehaltes mit einer geeigneten Messsonde, bevorzugt ein Infrarot-Analysator, analysiert und geregelt. Das Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid ist ein sehr gutes und bekanntes Maß für die Güte der Atmosphäre bezüglich ihrer Oxidations- und Entkohlungswirkung.

[0014] Als besonders vorteilhaft erweist sich die Regelung des Kohlendioxidgehaltes über einen Atmosphärenregelkreislauf unter Zufuhr von kohlenwasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Erdgas oder Propan, über mindestens eine Hochdrucklanze am Ende des Durchlaufofens. Die Hochdrucklanze besitzt eine speziell ausgeführte Düse, an der sich das Trägergas Stickstoff unter hohem Druck mit dem kohlenwasserstoffhaltigem Gas vermischt (siehe DE102004047985). Die Kohlenwasserstoffe des zugeführten kohlenwasserstoffhaltigen Gases, insbesondere Erdgas oder Propan, reagieren mit im Durchlaufofen vorhandener Feuchtigkeit und Kohlendioxid unter Bildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff und reduzieren so den Kohlendioxidgehalt und Taupunkt der Schutzgasatmosphäre. Zugleich verbessert die Zufuhr von Stickstoff unter hohen Druck die Durchmischung der Schutzgasatmosphäre.

[0015] Zweckmäßigerweise wird bei Wechsel der gewünschten Form des umgeformten Metalls ein Modul, welches Stempel und Matrize der Presse umfasst, ausgetauscht. Durch den Austausch eines kompletten Moduls ist ein einfacher und schneller Wechsel der gewünschten Form des umgeformten Metalls möglich.

[0016] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Stempel der Presse von unten gegen die Matrize geführt.

[0017] Vorteilhafterweise wird nach einem Serviceeingriff am Transportkanal und/oder der Presse oder nach Modulwechsel der Presse die Zufuhr des Schutzgases so geregelt, dass sich ein Nettogasfluss vom Durchlaufofen in Richtung Presse einstellt. Dadurch wird vermieden, dass während des Serviceeingriffs entstandene Verschmutzungen mit Sauerstoff im Transportkanal oder im Pressenraum in den Durchlaufofen gedrückt werden. Die Einstellung der Richtung des Nettogasflusses kann durch eine geeignete Einspeisestelle im Transportkanal erfolgen.

[0018] Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Produktionsanlage mindestens eine Zuführung des Schutzgases in den Pressenraum und/oder eine Zuführung des Schutzgases in den Transportkanal aufweist und die gesamte Produktionsanlage gasdicht oder nahezu gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.

[0019] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt die Produktionsanlage über mindestens eine Zuführung des Schutzgases im Pressenraum und/oder den Transportkanal und mindestens eine Zuführung des Schutzgases am Ende des Durchlaufofens.

[0020] Die Einrichtung zur Entnahme des geformten Metalls ist als Schleuse vorteilhafterweise mit mindestens einer gasdichten Tür zum Pressenraum und mindestens einer gasdichte Tür zur Umgebung der Produktionsanlage ausgestattet, wobei die Tür zur Umgebung der Produktionsanlage nach unten öffnet

[0021] In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung öffnet die Tür zur Umgebung der Vorrichtung nach hinten, wo sich eine Einrichtung zur automatischen Entnahme des umgeformten Metalls befindet (Manipulator).

[0022] Bevorzugt befindet sich im hinteren Bereich des Durchlaufofens eine Einrichtung zur Regelung des Kohlendioxidgehaltes der Schutzgasatmosphäre sowie mindestens eine Hochdrucklanze zur Zufuhr von kohlenwasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Erdgas oder Propan. Die Einrichtung zur Regelung des Kohlendioxidgehaltes der Schutzgasatmosphäre umfasst eine Messsonde, bevorzugt einen Infrarot-Analysator, die zur Bestimmung des Kohlendioxidgehaltes geeignet ist, und eine automatische Regelung der zugeführten Menge an kohlenwasserstoffhaltigem Gas.

[0023] Zur Durchführung von Wartungsarbeiten ist die gesamte Vorrichtung zweckmäßigerweise mit gasdichten Serviceklappen zur Umgebung der Produktionsanlage ebenso wie mit einer gasdichten Tür zwischen Durchlaufofen und Transportkanal ausgestattet, um die Glühatmosphäre durch einen zwangsläufigen Lufteinbruch bei Wartungsarbeiten nicht zu verändern.

[0024] Bevorzugt weist die Produktionsanlage ein kompaktes Modul auf, welches Stempel und Matrize der Presse umfasst und komplett ausgetauscht werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stempel von unten gegen die oben feststehende Matrize beweglich. Durch den Betrieb der Presse über Kopf, d.h. Stempel von unten gegen die feststehende Matrize, wird einer Erwärmung des Hydrauliköls entgegen gewirkt.

[0025] Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere Zunderbildung bei der Warmumformung von Metallen zu vermeiden, ohne dass teure Aluminium plattierte Materialien verwendet werden müssen. Durch das Verbleiben des Werkstückes in der Schutzgasatmosphäre bis zum Abschluss der Verformung und Abkühlung sind nicht nur die Oberflächen, sondern auch die beim Ausstanzen entstandenen Schnittkanten geschützt.

[0026] Im Folgenden soll die Erfindung anhand des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert werden.

[0027] Das ausgestanzte Metall wird in dem Durchlaufofen (1) erwärmt und anschließend über einen geschlossenen Transportkanal (2) in die Presse (3) geführt, wo die Verformung bei gleichzeitiger kontrollierter Abkühlung stattfindet. In dem gesamten geschlossenen System (Durchlaufofen (1), Transportkanal (2) und Presse (3)) herrscht eine sauerstoffarme Schutzgasatmosphäre. Die Einspeisung des Schutzgases (5) erfolgt über den Pressenraum (3) und am Ende des Durchlaufofens (1). Nach erfolgter Verformung und Abkühlung wird das Werkstück über eine Schleuse aus der Entnahmeeinrichtung (4) nach unten ausgeführt. Durch die Entnahme nach unten kommt es nur zu einem geringen Lufteinbruch in die Schleuse und die Schleuse kann vor dem erneuten Beschicken sehr leicht und mit wenig Gas ausgespült werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre in einer Produktionsanlage zur Warmumformung von Metallen bestehend aus einem Durchlaufofen (1), einer Presse mit Pressenraum (3) und einem geschlossenen Transportkanal (2) zwischen dem Durchlaufofen und dem Pressenraum, wobei das Metall im Durchlaufofen (1) erhitzt, über den Transportkanal (2) in die Presse mit Pressenraum (3) überführt und dort umgeformt und gleichzeitig abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas vollständig oder teilweise über den Pressenraum (3) und/oder über den Transportkanal (2) in den Durchlaufofen (1) eingespeist wird, wobei die Presse mit Pressenraum (3) über den geschlossenen Transportkanal (2) mit dem Durchlaufofen (1) verbunden ist, so dass eine geschlossene Schutzgasatmosphäre vom Ofeneinlass bis zum Pressenraum entsteht und das Metall erst nach der Umformung und Abkühlung aus der Schutzgasatmosphäre geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas zu gleichen Teilen über den Pressenraum (3) und/oder Transportkanal (2) in den Durchlaufofen und direkt am Ende des Durchlaufofens in den Durchlaufofen (2) eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte Metall in einer Entnahmeeinrichtung (4) über eine Schleuse nach unten entnommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeformte Metall in einer Entnahmeeinrichtung (4) über eine Schleuse horizontal nach hinten mit Hilfe eines Manipulators entnommen wird, wobei während der Entnahme die Schutzgaszufuhr erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlendioxidgehalt der Schutzgasatmosphäre im hinteren Bereich des Durchlaufofens (1) über einen Atmosphärenregelkreislauf eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Kohlendioxidgehaltes über einen Atmosphärenregelkreislauf unter Zufuhr von kohlenwasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Erdgas oder Propan, über mindestens eine Hochdrucklanze am Ende des Durchlaufofens (1) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wechsel der gewünschten Form des umgeformten Metalls ein Modul, welches Stempel und Matrize der Presse umfasst, ausgetauscht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel der Presse von unten gegen die Matrize geführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Serviceeingriff am Transportkanal und/öder der Presse oder nach Modulwechsel der Presse die Zufuhr des Schutzgases so geregelt wird, dass sich ein Nettogasfluss vom Durchlaufofen in Richtung Presse einstellt.

10. Vorrichtung zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre in einer Produktionsanlage zur Warmumformung von Metallen bestehend aus einem Durchlaufofen (1), einer Presse mit Pressenraum (3) und einem geschlossenen Transportkanal (2) zwischen dem Durchlaufofen und dem Pressenraum, wobei das Metall im Durchlaufofen (1) erhitzt, über den Transportkanal (2) in die Presse mit Pressenraum (3) überführt und dort umgeformt und gleichzeitig abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsanlage mindestens eine Zuführung des Schutzgases in den Pressenraum (3) und/oder eine Zuführung des Schutzgases in den Transportkanal aufweist und die gesamte Produktionsanlage gasdicht oder nahezu gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsanlage mindestens eine Zuführung des Schutzgases im Pressenraum (3) und/oder den Transportkanal (2) und mindestens eine Zuführung des Schutzgases am Ende des Durchlaufofens (1) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsanlage eine Einrichtung zur Entnahme des umgeformten Metalls (4) mit mindestens einer gasdichten Tür zum Pressenraum und mindestens einer gasdichte Tür zur Umgebung der Vorrichtung aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tür zur Umgebung der Produktionsanlage nach unten öffnet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Tür zur Umgebung der Produktionsanlage nach hinten öffnet, wo sich eine Einrichtung zur automatischen Entnahme des umgeformten Metalls befindet (Manipulator).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich im hinteren Bereich des Durchlaufofens (1) eine Einrichtung zur Regelung des Kohlendioxidgehaltes der Schutzgasatmosphäre befindet.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich im hinteren Bereich des Durchlaufofens (1) mindestens eine Hochdrucklanze zur Zufuhr von kohlenwasserstoffhaltigem Gas, insbesondere Erdgas oder Propan, befindet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Produktionsanlage mit gasdichten Serviceklappen zur Umgebung der Produktionsanlage ebenso wie mit einer gasdichten Tür zwischen Durchlaufofen und Transportkanal zu Wartungszwecken ausgestattet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionsanlage ein Modul aufweist, welches Stempel und Matrize der Presse umfasst und komplett ausgetauscht werden kann.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel von unten gegen die oben feststehende Matrize beweglich ist.

Zeichnung