[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre in einer
Produktionsanlage zur Warmumformung von Metallen bestehend aus einem Durchlaufofen,
wobei der Durchlaufofen über Strahlrohre beheizt wird, 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,
welcher über eine Befeuerung mittels Strahlrohre beheizt wird, 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 Materialien 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. Das Schutzgas
im Ofenraum muss dabei so gewählt werden, dass nicht nur der Verzunderung sondern
auch der Entkohlung des Metallteiles entgegengewirkt wird. Eine Entkohlung des Metallteiles,
das heißt ein Sinken des so genannten Kohlenstoffpegels durch Effusion von Kohlenstoff
aus dem Metallteil in die Gasatmosphäre , würde sich ungünstig auf die Materialeigenschaften,
wie zum Beispiel Stoßfestigkeit, auswirken. Als Schutzgas wird nach dem Stand der
Technik ein überwiegend Stickstoff enthaltendes Gas mit einem Zusatz von Kohlenwasserstoffen
wie zum Beispiel Endogas gewählt. Hier existieren im Stand der Technik Verfahren zur
Bestimmung des Kohlenstoffpegels.
[0006] Eine Ausdehnung der Schutzgasatmosphäre vom Durchlaufofen über den Transportweg bis
zur Presse wird im Stand der Technik nicht in Erwägung gezogen. Bei einem Strahlrohr
beheizten Durchlaufofen wird durch Verbrennung Wärme erzeugt. Diese Wärme wird hauptsächlich
über Wärmestrahlung in den Ofen und auf das Metallteil übertragen. Das heißt, der
Ofen wird von mindestens einem Strahlrohr durchzogen, in welches die heißen Gase der
Verbrennung geführt werden. Dadurch wird das Strahlrohr erwärmt, welches über die
gängigen Mechanismen des Wärmetransports die Atmosphäre des Durchlaufofens und das
darin befindliche Metallteil erwärmt. Die Schutzgasatmosphäre im Ofenraum ist somit
naturgemäß sehr heiß. Eine Ausdehnung der Schutzgasatmosphäre über den Ofenraum hinaus
auf den Transportweg und die Verformung würde die Funktion des Verfahrens der Warmumformung
in Frage stellen. Durch die heiße Schutzgasatmosphäre würden Transportweg und Presse
überhitzen, wodurch ein kontrolliertes Abkühlen mit der Verformung unmöglich würde.
[0008] 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.
[0009] 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,
ohne Transportkanal und Presse zu überhitzen.
[0010] 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.
[0011] Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Schutzgasatmosphäre auf den Transportweg
und den Pressenraum auszudehnen und gleichzeitig die Überhitzung von Transportkanal
und Presse zu vermeiden. Dies gelingt durch die Zuführung des noch kalten 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 noch kalten Schutzgases in den Pressenraum und/oder den Transportkanal
eine zu starke Erwärmung der Presse und des Transportkanals durch die heiße Schutzgasatmosphäre
im Durchlaufofen. Die gleichzeitige kontrollierte Abkühlung und Verformung des Metallteiles
wird möglich.
[0012] 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. Eine homogene Schutzgasatmosphäre erlaubt
die Anwendung der Standardverfahren zur Analyse der Schutzgasatmosphäre und somit
zur Bestimmung des Kohlenstoffpegels der Metallteile
[0013] 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.
[0014] 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 Schutzgasatmosphäre durch die Entnahme des umgeformten
Metalls minimiert wird.
[0015] 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.
[0016] 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. Durch die hohe Injektionswirkung der Hochdrucklanzen
werden eine optimale Durchmischung und eine homogene Schutzgasatmosphäre erreicht,
was Voraussetzung für die Bestimmung des Kohlenstoffpegels der Metallteile nach den
gängigen Verfahren ist.
[0017] 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.
[0018] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Stempel der Presse von
unten gegen die Matrize geführt.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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
[0023] 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).
[0024] Bevorzugt befinden 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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. Die Überhitzung von
Transportkanal und Presse durch die heiße Schutzgasatmosphäre aus dem Durchlaufofen
wird vermieden.
[0028] Im Folgenden soll die Erfindung anhand des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
der Erfindung näher erläutert werden.
[0029] Das ausgestanzte Metall wird in dem Strahlrohr beheizten 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.
1. Verfahren zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre in einer Produktionsanlage zur Warmumformung
von Metallen bestehend aus einem Durchlaufofen (1), wobei der Durchlaufofen über Strahlrohre
beheizt wird, 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/oder 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), wobei der Durchlaufofen
über Strahlrohre beheizt wird, 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.