[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Wärmebehandeln
von Werkstücken, und insbesondere ein Verfahren und eine Anlage zum kontinuierlichen
Einsatzhärten von Werkstücken.
[0002] Beispielsweise bei der Wärmebehandlung von Windkraftzahnrädern, Sonnenrädern und
Planetenrädern aus höher legierten Stählen und Abmessungen von z.B. 300 mm Durchmesser
ist Stand der Technik die satzweise durchgeführte Wärmebehandlung dieser Windkraftzahnräder.
Die Zahnräder werden in Schacht- oder Kammeröfen auf Austenitisierungstemperatur gebracht
und eine entsprechende Zeit auf Austenitisierungstemperatur gehalten und dabei einem
Aufkohlungsprozess unterzogen. Dabei wird der Randkohlenstoffgehalt bis auf ca. 0,8
% gebracht. Anschließend wird, vorwiegend manuell mit Austragvorrichtungen, das Werkstück
aus dem Ofen entnommen und unter Atmosphärenbedingungen, also an der Luft, in ein
offenes Abschreckbad eingebracht. Als Abschreckmittel werden beispielsweise Öle oder
Polymerlösungen eingesetzt. Bei dem Abschreckvorgang liegen die Temperaturen des Abschreckmittels
zwischen 60°C und 150°C. Nach einer festgelegten Abschreckzeit werden die Teile manuell
mit beispielsweise einem Kran entnommen und einem Waschbad zugeführt. Die Temperaturen
bei dem Waschvorgang liegen zwischen ca. 60°C und 80°C. Nach diesem Prozess werden
die Teile, wiederum zumeist manuell, einem Anlassprozess zugeführt. Bei dieser manuellen
Verfahrensweise entstehen immer wieder unterschiedliche Transport- und Lagerzeiten
zwischen den einzelnen Behandlungsschritten, die vor dem Anlassprozess ein unterschiedliches
Ausgangsgefüge in den Werkstücken mit unterschiedlichen Gehalten an Restaustenit verursachen.
Bei einer zu langen Lagerung wird dabei der Restaustenit stabilisiert und verbleibt
vor dem Anlassofen auf diesem hohen Niveau.
[0003] Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage bereitzustellen, mit
welchem bzw. welcher Werkstücke einheitlicher Qualität hergestellt werden können,
bei welchen der Restaustenitgehalt vor dem Anlassprozess auf einen vorgegebenen Gehalt
eingestellt ist.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Werkstück zunächst in einem Voroxidationsofen
bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C aktiviert. Zeitgleich mit der Aktivierung
des Werkstückes werden ggf. auf der Werkstückoberfläche vorhandene Schneidöl- und
Waschmittelrückstände abgebrannt.
[0005] Nach dem Verlassen des Voroxidationsofens wird das Werkstück mit einem erstem Belade/Entlademanipulator
über eine verschließbare Belade/Entladeöffnung in einen Drehherdofen eingebracht und
auf eine vorgegebene Aufkohlungstemperatur erwärmt. Anschließend wird das Werkstück
bis zum Erreichen einer vorgegebenen Aufkohlungstiefe (CD) aufgekohlt und bei einer
vorgegebenen Härtetemperatur gehärtet. Die Wahl des Aufkohlungsmittels, die Aufkohlungstiefe
sowie die Härtetemperatur werden jeweils an das zu bearbeitende Werkstück angepasst.
[0006] Nach dem Härten wird das Werkstück mit dem ersten Belade/Entlademanipulator über
die Belade/Entladeöffnung aus dem Drehherdofen entnommen und auf einer Hebeeinrichtung
einer Abschreckeinrichtung abgesetzt, wobei die Hebeeinrichtung der Belade/Entladeöffnung
des Drehherdofens zugeordnet ist. Das Werkstück wird dann mit der Hebeeinrichtung
in ein Abschreckmedium abgesenkt und auf eine Kerntemperatur zwischen 60°C und 150°C
zum Erreichen einer vorgegebenen Einhärtungstiefe (CHD) und zum Erreichen einer vorgegebenen
Härte abgeschreckt, wobei bei beispielsweise Zahnrändern als Werkstücke in einer Tiefe
von 5 mal CHD eine vorgegebene Härte im Zahngrund durch das Abschrecken erreicht werden
soll. Die oben genannte Kerntemperatur zwischen 60°C und 150°C bedingt, dass keine
zu großen Spannungen und damit Verzüge während des für das Abschrecken typischen Kristallgitterumklappens
von Austenit nach Martensit entstehen.
[0007] Sobald die vorgegebene Einhärtungstiefe erreicht ist, wird das Werkstück aus dem
Abschreckmedium gehoben und mit einem Belade/Entlademanipulator einer Nachbehandlung
zugeführt, wobei das Nachbehandeln des Werkstücks zur Vorbereitung auf ein Anlassen
des Werkstücks ein Waschen, Kühlen und Trocknen umfasst. Nach dem Nachbehandeln weist
das Werkstück eine Kerntemperatur zwischen 25°C und 35°C auf, wobei eine Kerntemperatur
in diesem Bereich gewährleistet, dass ein Wärmefluss von dem Kern des Werkstücks zum
Randgefüge vermieden oder zumindest stark eingeschränkt wird und so die Gefügeeinstellung
für das Randgefüge nicht negativ beeinflusst wird (bei der Verwendung von Zahnrädern
als Werkstücke wird beispielsweise eine negative Beeinflussung der Gefügeeinstellung
des Randgefüges vor allem im Zahngrund und in einer Tiefe am Zahngrund von 5 mal CHD
vermieden).
[0008] Das Werkstück kann der Nachbehandlung mit dem ersten Belade/Entlademanipulator zugeführt
werden, es ist jedoch bevorzugt, dass das Zuführen zum Nachbehandeln mit einem zweiten
Belade/Entlademanipulator durchgeführt wird, da so vermieden werden kann, dass der
erste Manipulator mit Abschreckmedium verunreinigt wird. Die einzelnen Schritte des
Nachbehandelns werden vorzugweise in getrennten Zonen einer Nachbehandlungseinrichtung
durchgeführt. Die Werkstücke werden vorzugsweise mit dem zweiten Belade/Entlademanipulator
zwischen den einzelnen Zonen bewegt, wobei es jedoch auch möglich ist, dass für das
Bewegen der Werkstücke zwischen den einzelnen Zonen der Nachbehandlungseinrichtung
ein dritter Belade/Entlademanipulator zur Anwendung kommt.
[0009] Im Anschluss an das Nachbehandeln des Werkstücks wird dieses bei einer Temperatur
zwischen 160°C und 180°C angelassen, um das Umklappen des Kristallgitters von Austenit
nach Martensit noch weiter zu vervollständigen.
[0010] Im Rahmen dieser Anmeldung umfasst der Begriff "Werkstück" sowohl ein großes Werkstück,
welches "als solches" die einzelnen Verfahrensschritte durchläuft, als auch eine Mehrzahl
von Werkstücken, die auf einem Rost angeordnet die Verfahrensschritte durchlaufen.
[0011] Bei dem oben beschriebenen kontinuierlichen Verfahren zum Einsatzhärten von Werkstücken
werden Transportzeiten minimiert und konstant gehalten und Lagerzeiten zwischen den
einzelnen Behandlungsschritten vermieden, und es ist gewährleistet, dass vor dem Anlassen
des Werkstückes dieses einen durch das Verfahren bestimmten Austenitgehalt aufweist,
da das Werkstück, unabhängig von seiner Größe und Zusammensetzung, vor dem Anlassen
stets auf eine Kerntemperatur zwischen 25°C und 35°C abgekühlt wird, wobei u.a. eine
solche Kerntemperatur diesen definierten Austenitgehalt bedingt. Ein derart abgekühltes
Werkstück neigt, zumindest bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel, zur Oxidation.
Um dies zu vermeiden, wird das Werkstück erfindungsgemäß nach dem Kühlen getrocknet.
[0012] Die Verwendung von zumindest einem vollautomatischen Belade/Entlademanipulatoren
ermöglicht eine kontinuierliche Verfahrensführung, da sämtliche Belade- und Entladevorgänge,
beispielsweise von dem Voroxidationsofen in den Drehherdofen und von diesem auf die
erste Hebeeinrichtung der Abschreckeinrichtung, nicht manuell ausgeführt werden müssen
und so schwankende Lager- und Transportzeiten vermieden werden.
[0013] Die Taktrate bzw. Geschwindigkeit von automatisierten kontinuierlichen Verfahren
wird stets durch den langsamsten Verfahrensschritt bestimmt. Insbesondere bei besonders
schweren Werkstücken ist das Abschrecken ein relativ zeitaufwendiger Vorgang, da die
Werkstücke unbedingt auf eine bestimmte Temperatur abgeschreckt werden müssen, um
eine ausreichende Umwandlung des Randaustenits zu erreichen. Da die Abschreckeinrichtung
dem Drehherdofen zugeordnet ist, d.h. der Drehherdofen über die Abschreckeinrichtung
in radialer Richtung Be- und Entladen wird, ist der Drehherdofen blockiert, wenn ein
Werkstück abgeschreckt wird, wodurch bei zeitaufwendig abzuschrekkenden Werkstücken
das Abschrecken das Verfahren ausbremst und so die Effizienz des Verfahrens beeinträchtigt.
[0014] Um dies zu verhindern, erfolgt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens das Abschrecken des Werkstücks derart, dass das Werkstück zunächst in einer
dem Drehherdofen zugeordneten ersten Kammer der Abschreckeinrichtung mit einem ersten
Abschreckmedium für eine vorgegebene Zeitdauer abgeschreckt wird, das Werkstück nach
dem ersten Abschrecken mit einem Belade/Entlademanipulator auf einer zweiten Hebeeinrichtung
in einer zweiten Kammer der Abschreckeinrichtung abgesetzt wird, in ein zweites Abschreckmedium
gesenkt wird und mit dem zweiten Abschreckmedium abgeschreckt wird, wobei die Kerntemperatur
des Werkstücks nach dem Gesamtabschreckvorgang zwischen 60°C und 150°C beträgt.
[0015] Mit der Unterteilung des Abschreckens in zwei Teilschritte wird erreicht, dass das
Verfahren auch bei langwierig abzuschreckenden Werkstücken schneller betrieben werden
kann, da die erste Kammer der Abschreckeinrichtung, welche beim Abschrecken ein Beladen
und Entladen des Drehherdofens blokkiert, für eine geringere Zeitdauer belegt ist.
Sobald das abzuschreckende Werkstück aus der ersten Kammer entfernt ist, kann der
Drehherdofen neu Entladen und/oder Beladen werden.
[0016] Um das Werkstück von der ersten in die zweite Kammer der Abschreckeinrichtung zu
bewegen wird ein Belade/Entlademanipulator verwendet, wobei entweder der erste Belade/Entlademanipulator,
welcher auch zum Beladen des Drehherdofens dient, oder aber ein zweiter Belade/Entlademanipulator
verwendet werden kann. Vorzugsweise wird der zweite Belade/Entlademanipulator verwendet,
da so vermieden werden kann, dass der erste Manipulator mit Abschreckmedium verunreinigt
wird.
[0017] Bei dem ersten und dem zweiten Abschreckvorgang können entweder die gleichen oder
verschiedene Abschreckmedien verwendet werden, wodurch die Flexibilität des Verfahrens
im Hinblick auf das Abschrecken selber erheblich erhöht wird. Um die Effizienz des
Abschreckens zu erhöhen ist es bevorzugt, das bzw. die Abschreckmedien während des
Abschreckens mit einer entsprechenden Pumpe umzuwälzen.
[0018] Um die Effizienz und Gleichmäßigkeit des Abschreckens weiter zu steigern ist es bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiels vorgesehen, dass das Werkstück von der ersten
Hebeeinrichtung im ersten Abschreckmedium auf einer Dreheinrichtung mit Drehteller
abgesetzt wird, wobei der Drehteller das Werkstück mit einer einstellbaren Drehzahl
im Abschreckmedium gedreht wird. Um das Werkstück auf dem Drehteller der Dreheinrichtung
absetzen zu können wird die erste Hebeeinrichtung über den äußeren Umfang des Drehtellers
der Dreheinrichtung nach unten abgesenkt. Es ist ferner bevorzugt, besonders bei speziellen
Werkstücken wie beispielsweise Zahnrädern, dass spezielle Außenbereiche, wie beispielsweise
die Zahnkranzfläschen, mit einem Düsensystem angeströmt werden.
[0019] Wie bereits oben ausgeführt, ist es von wesentlicher Bedeutung für das Verfahren,
dass die Kerntemperatur der Werkstücke nach dem Nachbehandeln 25°C bis 35°C beträgt.
Ferner ist darauf zu achten, dass nicht ein Verfahrensschritt aufgrund seiner Dauer
das gesamte Verfahren verlangsamt. Bei besonderes großen Werkstücken kann es jedoch
vorkommen, dass die Zeitspanne, die für das Kühlen, vorgegeben durch die übrigen Verfahrensschritte,
zur Verfügung steht, nicht ausreichend ist, um die oben genannte Kerntemperatur der
Werkstücke zu erreichen.
[0020] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt daher das Nachbehandeln einen weiteren
Kühlschritt, bei welchem das Werkstück weiter abgekühlt wird, so dass am Ende des
Nachbehandelns sichergestellt ist, dass bei den Werkstücken die oben genannte Kerntemperatur
erreicht ist. Dieser zweite Kühlschritt kann entweder nach dem Trocknen oder aber
direkt nach dem ersten Kühlen ausgeführt werden. Der zweite Kühlschritt wird insbesondere
dann nach dem Trocknen ausgeführt, wenn mit einem anderen Kühlmittel als im ersten
Schritt gekühlt werden soll und eine Verunreinigung des zweiten Kühlmittels durch
das erste vermieden werden soll. Für den Fall, dass der zweite Kühlschritt nach dem
Trocknen ausgeführt wird, und trotzdem werkstückbedingt mit einer wasserhaltigen Kühlflüssigkeit
gekühlt werden muss, so ist darauf zu achten, dass das Werkstück rasch angelassen
wird, um eine Oxidation an der Werkstückoberfläche zu vermeiden. Vorzugsweise werden
die Schritte des Nachbehandelns für 20 Minuten pro Millimeter (20 min/mm) Einhärtungstiefe
durchgeführt.
[0021] Bei dem Nachbehandeln kann es vorkommen, dass sich, in Abhängigkeit von der für das
Werkstück verwendeten Legierung und der Ausformung des Werkstücks, dieses beim Waschen
und Kühlen geringfügig verzieht. Daher ist es bevorzugt, dass das Werkstück direkt
nach dem Kühlen kalt ausgerichtet wird, um ggf. aufgetretene Verzüge des Werkstückes
zu beseitigen.
[0022] Um eine weitere Aushärtung insbesondere der Randbereiche des Werkstücks zu erzielen,
ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass das Werkstück
nach dem Anlassen zumindest in Teilbereichen einer Kugelstrahlverfestigung unterzogen
wird.
[0023] Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine erfindungsgemäße Anlage zum
kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken, wobei die Anlage einen Voroxidationsofen
und einen Drehherdofen mit zumindest einer Belade/Entladeöffnung und mit mehreren
über vertikal bewegbare Türen getrennte Behandlungszonen aufweist. Der Belade/Entladeöffnung
des Drehherdofens ist eine Abschreckeinrichtung mit zumindest einer Hebeeinrichtung
zugeordnet, und der Abschreckeinrichtung ist eine Nachbehandlungseinrichtung mit einer
Waschzone, einer Kühlzone und einer Trockenzone nachgeschaltet. Die Anlage umfaßt
ferner einen Anlassofen sowie zumindest einen Belade-/Entnahmemanipulator, mit welchem
die Werkstücke in den Drehherdofen eingeführt werden und nach der Wärmebehandlung
aus diesem entnommen werden, und auf der Hebeeinrichtung der Abschreckeinrichtung
abgesetzt werden. Der Belade-/Entnahmemanipulator dient ferner dazu, das Werkstück
aus der Abschreckeinrichtung zu entnehmen und der Nachbehandlungseinrichtung zuzuführen.
[0024] Für den Fall, dass die Waschzone, die Kühlzone und die Trockenzone als separate Einrichtungen
ausgebildet sind, kann der Belade-/Entnahmemanipulator ferner dazu verwendet werden,
die Werkstücke zwischen den einzelnen Einrichtungen zu bewegen. Die Nachbehandlungseinrichtung
kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass die Werkstücke auf Transportrollen oder
mit Förderketten von einer Zone zur nächsten transportiert werden.
[0025] Um den Ausfall des Belade-/Entnahmemanipulators zu kompensieren, kann es ferner vorgesehen
sein, dass die Anlage einen zweiten Belade-/Entnahmemanipulator aufweist, wobei vorzugsweise
vorgesehen ist, dass der erste Belade-/Entnahmemanipulator lediglich zum Be- und Entladen
des Drehherdofens dient und der zweite Belade-/Entnahmemanipulator das Werkstück aus
der Abschreckeinrichtung entnimmt und der Nachbehandlungseinrichtung zuführt. Die
Verwendung von zumindest zwei Belade-/Entnahmemanipulatoren hat ferner den Vorteil,
dass der erste Belade-/Entnahmemanipulator nicht mit Abschreckmedium verunreinigt
wird, und dass die Taktzeiten der Anlage verringert werden können, da die oben beschriebenen
Belade-, Entlade- und Zuführungsoperationen auf zwei Manipulatoren aufgeteilt werden
können. Ferner besteht der Vorteil, dass bei einem Ausfall eines Belade/Entlademanipulators
mit dem zweiten Belade/Entlademanipulator noch die Drehherdofenanlage nach den vorgesehenen
Verfahrensschritten entleert werden kann, so dass der finanzielle Schaden in Grenzen
gehalten werden kann. Hierfür müsste unter Umständen ein Belade/Entlademanipulator
innerhalb einer Taktzeit in eine Parkposition gebracht werden, die den Verfahrablauf
nicht stört. Bei der Verwendung von Belade-/Entnahmemanipulatoren weisen die beiden
Manipulatoren ein gemeinsames Führungssystem auf, da nur so gewährleistet ist, dass
der eine Manipulator als Ersatz des anderen eingesetzt werden kann.
[0026] Um, wie bereits oben ausgeführt, zu verhindern, dass ggf. das Abschrecken das Gesamtverfahren
ausbremst, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Anlage eine Abschreckeinrichtung
mit zwei Abschreckkammern auf, wobei jede dieser Abschreckkammern eine Hebeeinrichtung
umfaßt. Um die Verfahrensführung möglichst flexibel zu halten, sind die beiden Hebeeinrichtungen
getrennt voneinander vertikal bewegbar. Um einen raschen und möglichst einfachen Transport
des Werkstücks aus dem Drehherdofen in die Abschreckeinrichtung zu gewährleisten,
ist die erste Abschreckkammer der Abschreckeinrichtung dem Drehherdofen zugeordnet,
d.h. derart direkt vor der Belade-/Entladeöffnung des Drehherdofens angeordnet, dass
ein Belade-/Entnahmemanipulator zum Entladen des Drehherdofens und Absetzen des Werkstücks
auf der ersten Hebeeinrichtung lediglich in radialer Richtung verfahren werden muss.
[0027] Wie bereits angedeutet, ist der Abschreckvorgang kritisch, da dieser ggf. für das
Verfahren geschwindigkeitsbestimmend sein kann. Um das Abschrecken zu beschleunigen,
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Anlage vorgesehen, dass die Abschreckeinrichtung
bzw. eine Kammer der Abschreckeinrichtung eine Dreheinrichtung mit einem Drehteller
umfaßt, wobei der Drehteller der Dreheinrichtung derart ausgebildet ist, dass die
Hebeeinrichtung über den äußeren Umfang des Drehtellers nach unten abgesenkt werden
kann, und auf diese Weise das Werkstück auf dem Drehteller abgelegt werden kann. Die
Abschreckeinrichtung bzw. eine oder beide der Kammern der Abschreckeinrichtung kann
bzw. können mit Düsensystemen ausgerüstet sein, um ein gezieltes Anströmen bestimmter
Bereiche des Werkstücks zu ermöglichen.
[0028] Um zu verhindern, dass das Werkstück bei der Entnahme aus dem Drehherdofen und dem
Absetzen auf der Hebeeinrichtung der Abschreckeinrichtung bzw. der ersten Kammer der
Abschreckeinrichtung durch Atmosphäreneinflüsse beeinträchtigt wird, ist es bevorzugt,
dass der Abschreckeinrichtung bzw. der ersten Kammer der Abschreckeinrichtung eine
gasdichte Eingangs-/Ausgangsschleuse mit einer Mehrzahl von gasdicht-verschließbaren
Türen zugeordnet ist. Die Anzahl und die Anordnung der gasdicht-verschließbaren Türen
ist abhängig davon, wie die Werkstücke in den Drehherdofen eingebracht werden, ggf.
zwischen den einzelnen Kammern der Abschreckeinrichtung bewegt werden, und der Abschreckeinrichtung
entnommen werden.
[0029] Um auch bei großen Werkstücken sicherzustellen, dass die Kerntemperatur der Werkstücke
vor dem Anlassen zwischen 25°C und 35°C beträgt, umfasst bei einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anlage die Nachbehandlungseinrichtung eine weitere Kühlzone,
wobei diese Kühlzone der Trockenzone vor- oder nachgeschaltet sein kann. In beiden
Kühlzonen kann das gleiche Kühlmittel, oder aber unterschiedliche Kühlmittel verwendet
werden, wobei bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel und der Anordnung der Kühlzone
hinter der Trokkenzone (bezogen auf den Verfahrensablauf) darauf zu achten ist, dass
das Werkstück rasch dem Anlassofen zugeführt wird.
[0030] Um eine Überarbeitung des Werkstücks vor dem Anlassen zu ermöglichen, ist es bevorzugt,
dass die Anlage eine der Nachbehandlungseinrichtung nachgeschaltete Kaltrichteinrichtung
zum Richten der Werkstücke umfasst. Ferner kann die Anlage eine dem zumindest einen
Anlassofen nachgeschaltete Kugelstrahlverfestigungseinrichtung umfassen.
[0031] Im Nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anlage beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage und
Figur 2 eine detaillierte Draufsicht auf die Abschreckeinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anlage.
[0032] Figur 1 zeigt eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anlage.
Die Anlage umfasst einen Voroxidationsofen (1), in welchem Werkstücke (100) zur Aktivierung
auf eine Temperatur zwischen 400°C und 500°C erwärmt werden. Sollten die Werkstücke
Schneidöl- oder Waschmittelrückstände aufweisen, werden diese im Voroxidationsofen
abgebrannt. Die Beheizung der Werkstücke im Voroxidationsofen erfolgt vorzugsweise
durch senkrecht angeordnete (nicht darstellte) Gasbrenner. In der Ofendecke angeordnete
Lüfter dienen zur Umwälzung der Atmosphäre im Voroxidationsofen. Der Transport durch
den Ofen erfolgt entweder über angetriebene Transportrollen oder Förderketten. Am
Eingang und Ausgang des Voroxidationsofens ist dieser mit verschließbaren Türen versehen.
Am in Figur 1 links dargestellten Ende des Ofens ist schematisch ein Verfahrwagen
mit Hubtisch dargestellt, auf welchen die Werkstücke nach Durchlaufen des Voroxidationsofens
befördert werden. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verfahrwagen
senkrecht zu dem Voroxidationsofen bewegbar.
[0033] Die erfindungsgemäße Anlage umfasst ferner einen Drehherdofen (50) mit fünf vertikal
bewegbaren, ggf. gasdichten Türen (51a, 51b, 51c, 51d, 51e), wobei die Türen eine
Aufheizzone (52a), eine ersten Aufkohlungszone (52b), eine zweiten Aufkohlungszone
(52c), eine Härtezone (52d) sowie eine Belade-/Entladezone (52e) begrenzen. Der Drehherdofen
wird über einen (nicht dargestellten) geregelten Antrieb über Zahnrad und Zahnstange
angetrieben. Über den Drehherdofen sind (nicht gezeigte) Absolutwertgeber verteilt,
um ein Abschalten einzelner oder mehrerer Behandlungszonen zu ermöglichen. Gelagert
ist der Drehherdofen auf Rollenböcken, und die lagegenaue Seitenführung wird durch
Zentrierrollen hergestellt. Der Drehherdofen ist nach außen über eine innere und äußere
Öltasse abgedichtet und wird durch senkrecht angeordnete, gasbeheizte, vollkeramische
Mantelstrahlrohre beheizt. Zum Beladen und Entladen weist der Drehherdofen in seiner
Außenwand (54) eine vorzugsweise gasdicht verschließbare Belade-/Entladeöffnung (53)
auf.
[0034] Der Belade-/Entladeöffnung ist eine Abschreckeinrichtung (40) derart zugeordnet,
dass ein Belade-/Entlademanipulator (10, 10', 20) das Werkstück durch eine radiale
Bewegung aus der Belade-/Entladezone (52e) entnehmen kann und auf einer Hebeeinrichtung
der Abschreckeinrichtung (40) absetzen kann.
[0035] Die Abschreckeinrichtung (40) wird nun unter Bezugnahme auf Figur 2 detaillierter
beschrieben. Die in Figur 2 dargestellte Abschreckeinrichtung (40) umfasst zwei Abschreckkammern,
wobei jede Abschreckkammer ein Ölbad zum Abschrecken der Werkstücke und eine Hebeeinrichtung
mit Hebeteller (43a, 43b) umfasst. Der ersten Abschreckkammer (in der Zeichnung unten
dargstellt) ist eine gasdichte Eingangs/Ausgangsschleuse (41) mit einer Mehrzahl von
gasdicht verschließbaren Türen zugeordnet, wobei die Türen aus gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt sind. Im Ölbad der ersten Abschreckkammer ist eine Dreheinrichtung
mit Drehteller (44) angeordnet, wobei der Drehteller über einen Antrieb (42) bewegt
wird. In mindestens dem ersten Ölbad ist ferner ein Düsensystem angeordnet, um das
Anströmen bestimmter Bereiche der Werkstücke zu ermöglichen, und das Öl in den Ölbädern
wird mit Axialdüsen umgewälzt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Abschreckmittel
verwendet werden, wobei die Abschreckeinrichtung jeweils an das bzw. die verwendeten
Abschreckmedien anzupassen ist, wobei die Wahl des Abschreckmittels primär von der
Größe und Beschaffenheit des Werkstücks abhängt.
[0036] Die erfindungsgemäße Anlage umfasst ferner eine Nachbehandlungseinrichtung (60) mit
einer Waschzone (61), einer ersten Kühlzone (62), einer zweiten Kühlzone (63) und
einer Trockenzone (64), wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die jeweiligen
Zonen als separate Einrichtungen ausgebildet sind (und nachfolgend auch so bezeichnet
werden). Sobald das Werkstück in die Wascheinrichtung eingebracht ist, wird das Werkstück
über ein Düsensystem mit einer Waschflüssigkeit gewaschen, wobei die Wahl der Waschflüssigkeit
primär von dem bzw. den Abschreckmedium abhängig ist. Üblich ist die Verwendung von
Wasser, ggf. mit Zusätzen, als Waschflüssigkeit. Um die Effizienz des Waschens zu
erhöhen wird der Waschvorgang bei Temperaturen zwischen 40°C und 80°C durchgeführt.
[0037] Von der Wascheinrichtung (61) wird das Werkstück in die erste Kühleinrichtung (62)
bewegt und dort mit einer ersten Kühlflüssigkeit, üblicherweise Wasser, abgekühlt,
wobei bevorzugt ist, dass das Werkstück in die Flüssigkeit abgesenkt wird. Nach Ablauf
einer vorgegebenen ersten Kühlzeit wird das Werkstück entnommen und in Abhängigkeit
von der Kerntemperatur des Werkstücks entweder der zweiten Kühleinrichtung (63) oder
der Trockeneinrichtung (64) zugeführt. Für den Fall, dass die takt- und verfahrensbedingte
erste Kühlzeit nicht ausreichte, um die Kerntemperatur auf zwischen 25°C und 35°C
abzusenken, wird das Werkstück der zweiten Kühleinrichtung (63) zugeführt, ansonsten
der Trockeneinrichtung (64). Wiederum nach Ablauf einer vorgegebenen zweiten Kühlzeit
wird das Werkstück der zweiten Kühleinrichtung entnommen und der Trockeneinrichtung
(64) zugeführt und in dieser getrocknet, beispielsweise mit Ventilator und/oder einem
Gebläse. Die einzelnen Einrichtungen der Nachbehandlungseinrichtung (60) sind quasi
"in Reihe" geschaltet, was zur Folge hat, dass die Behandlungszeiten in allen Einrichtungen
gleich sind (d.h. auch die erste Abkühlzeit entspricht zweiter Abkühlzeit).
[0038] Nach dem Trocknen werden die Werkstücke der Trockeneinrichtung (64) entnommen und
über einen Querfahrwagen (70) einem von zwei Anlassöfen (81, 82) zugeführt, wobei
den Anlassöfen bei einem alternativen Ausführungsbeispiel eine Kaltrichteinrichtung
vorgeschaltet sein kann. Den Anlassöfen kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
ferner eine Kugelstrahlverfestigungseinrichtung nachgeschaltet sein.
[0039] Das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst ferner zwei Belade/Entlademanipulatoren
(10, 20), wobei der erste Belade/Entlademanipulator (10) in zwei Stellungen (10, 10')
dargstellt ist. Die beiden Belade/Entlademanipulatoren (10, 20) sind auf einem gemeinsamen
Führungssystem (30) verfahrbar, so dass gewährleistet ist, dass bei dem Ausfall eines
Belade/Entlademanipulators der andere Belade/Entlademanipulator die Aufgaben des ausgefallenen
Belade/Entlademanipulators übernehmen kann. Der erste Belade/Entlademanipulator (10)
dient zum Beladen und Entladen des Drehherdofens, während der zweite Belade/Entlademanipulator
(20) dazu dient, das Werkstück von der ersten Hebeeinrichtung auf die zweite Hebeeinrichtung
zu bewegen, und ferner dazu vorgesehen ist, die Werkstücke der Nachbehandlungseinrichtung
zuzuführen und es zwischen den einzelnen Einrichtungen der Nachbehandlungseinrichtung
zu bewegen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Belade/Entlademanipulatoren
als Hebe/Senkmanipulatoren ausgebildet, d.h. sie untergreifen das Werkstück zum Anheben
und werden zum Absenken in geeignete Ausnehmen eingefahren, wobei das Werkstück abgelegt
wird, beispielsweise im Drehherdofen. Nach dem Ablegen des Werkstücks wird der jeweilige
Belade/Entlademanipulator über die Ausnehmungen entfernt.
[0040] Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand
der Figuren 1 und 2 beschrieben. Das Werkstück (100) wird zunächst in einen Voroxidationsofen
(1) eingebracht, in welchem das Werkstück bei einer Temperatur zwischen 200°C und
500°C voroxidiert wird. Bei dem Werkstück kann es sich beispielsweise um Großzahnräder
handeln, die beispielsweise aus 18CrNiMo7/6- oder 16MnCr5-Stahl hergestellt sind.
Sollte das Werkstück Schneidöl- oder Waschmittelrückstände aufweisen, werden diese
abgebrannt. Am Ende des Ofens wird das Werkstück auf einen verfahrbaren Hubtisch ausgefahren
und von diesem dem ersten Belade/Entlademanipulator (10) zugeführt. Der Belade/Entlademanipulator
untergreift das Werkstück, hebt es an und verfährt mit dem aufliegendem Werkstück
in Richtung Abschreckeinrichtung (40) vor die Belade/Entladeöffnung (53) des Drehherdofens
(50). In Figur 1 ist der erste Belade/Entlademanipulator (10) in zwei Positionen (10,
10') gezeigt, nämlich einmal der Aufnahmeposition (10) und einmal in der Position,
in welcher das Werkstück in den Drehherdofen eingebracht wird.
[0041] Zum Einbringen des Werkstückes (100) in den Drehherdofen (50) wird der Belade/Entlademanipulator
samt Werkstück über (nicht dargestellte) verschließbare Öffnungen der Eingangs/Ausgangsschleuse
(41) durch die geöffnete Belade/Entladeöffnung (53) des Drehherdofens in diesen eingebracht
und das Werkstück in der Belade/Entladezone (52e) abgesetzt.
[0042] Vorzugsweise sind sämtliche Aufnahme- oder Absetzpositionen bei der Anlage derart
gestaltet, dass ein Belade/Entlademanipulator die Werkstücke untergreifen kann.
[0043] Das Werkstück wird zunächst in der Aufheizzone (52a) auf eine vorgegebene Aufkohlungstemperatur
erwärmt, wobei die Temperaturen in der Aufheizzone zwischen 400°C und 960°C liegen.
Nachdem das Werkstück die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird es über die
geöffnet Tür (51a) in die erste Aufkohlungszone (52b) eingebracht und mit einem vorgegebenen
Gas, wie beispielsweise Endogas oder Propan, aufgekohlt. Bei dem in Figur 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist das Aufkohlen auf zwei Teilschritte unterteilt, um die Flexibilität
des Aufkohlens selber zu erhöhen. Nach der Behandlung des Werkstücks in der ersten
Aufkohlungszone (52b) wird dieses über die geöffnete Tür (51b) in die zweite Aufkohlungszone
(52c) geführt. Die Aufkohlung selber findet bei Temperaturen zwischen 900°C und 1000°C
statt. Nach dem Aufkohlen wird das Werkstück über die geöffnete Tür (51c) in die Härtezone
(52d) überführt, in welcher das Werkstück auf eine vorgegebenen Härtetemperatur eingestellt
wird, wobei diese Temperatur vorzugsweise in dem Bereich zwischen 820°C und 860°C
liegt. Nach der Verweilzeit in der Härtezone (52d) wird das Werkstück über die geöffnete
Tür (51d) in die Belade/Entladezone (52e) geführt, wobei die Atmosphäre aus der Härtezone
in die Belade/Entnahmezone entweicht und über einen separaten Austritt und mit einer
Fackel abgebrannt wird. Zur Entnahme des Werkstücks aus dem Drehherdofen (50) wird
dieses von dem ersten Belade/Entlademanipulator (10) untergriffen und durch die verschließbar
Tür (53) des Drehherdofens (50) bewegt und auf dem Hebeteller (53a) der ersten Hebeeinrichtung
angeordnet. Dabei wird ein Teil der Ofenatmosphäre über einen Flammenschleier am Eintritt
des Manipulators in die Abschreckkammer abgebrannt, um den Eintritt von zuviel Sauerstoff
in die Anlage zu vermeiden. Vor dem Absenken des Hebetellers wird die Ofentüre wieder
verschlossen, der Manipulator verlässt die Abschreckeinrichtung (40) und die Außentüre
wird geschlossen. Der Hebeteller (53a) der Hebeeinrichtung wird dann abgesenkt und
das Werkstück im ersten Ölbad auf dem Drehteller (44) der Dreheinrichtung abgesetzt.
Das Werkstück verweilt nun für eine vorgegebene Abschreckzeit im ersten Ölbad. Während
dieser Zeit wird das Öl durch zumindest eine (nicht gezeigte) Axialpumpe umgewälzt,
wobei die Drehzahl der Pumpe stufenlos verstellbar ist, und die Randbereiche des Werkstücks
werden von einem Düsensystem gezielt mit Öl angeströmt. Während des Abschreckvorgangs
wird das Werkstück über die Dreheinrichtung gedreht, wobei deren Drehzahl stufenlos
zwischen 1 bis 10 Umdrehungen pro Minute verstellbar ist.
[0044] Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer wird das Werkstück mit dem Hebeteller (43a)
der Hebeeinrichtung aus dem Ölbad gehoben und, ggf. nach einer vorgegebenen Abtropfzeit,
wird die Außentüre für den zweiten Belade/Entlademanipulator geöffnet. Bei der in
Figur 1 gezeigten Anlage wird das Werkstück dann von dem zweiten Belade/Entlademanipulator
(20) untergriffen und über eine (nicht gezeigte) Öffnung aus der Eingangs/Ausgangsschleuse
der ersten Kammer der Abschreckeinrichtung (40) entfernt, wobei die geöffnete Tür
beim Entfernen des Werkstücks mit einem Gasschleier belegt wird. Das Werkstück wird
nun von dem Belade/Entlademanipulator (20) auf den Hebeteller (43b) der zweiten Hebeeinrichtung
abgesetzt, und das Werkstück wird dann in dem zweites Ölbad abgesetzt, wobei bei einem
alternativen Ausführungsbeispiel auch in dem Ölbad der zweiten Abschreckkammer eine
Dreheinrichtung angeordnet sein kann. Nach dem Ablauf einer vorgegebenen Abschreckzeit
wird das Werkstück über den Hebeteller (43b) der zweiten Hebeeinrichtung aus dem Ölbad
gehoben, wobei die Kerntemperatur des Werkstücks nach dem Gesamtabschreckvorgang zwischen
60°C und 150°C beträgt.
[0045] Das Werkstück wird dann, vorzugsweise nach einer gewissen Ölabtropfzeit, von dem
zweiten Belade/Entlademanipulator (20) untergriffen und der Nachbehandlungseinrichtung
(60) zugeführt, wobei das Werkstück zunächst in der Wascheinrichtung (61) der Nachbehandlungseinrichtung
(60) abgesetzt wird. Das Werkstück wird über ein (nicht dargestelltes) Düsensystem
mit Waschflüssigkeit, bei welcher es sich vorzugsweise um Wasser mit gegebenenfalls
einem Zusatz handelt, gewaschen. Um eine effiziente Entfernung des Öls von dem Werkstück
zu gewährleisten, hat die Waschflüssigkeit eine Temperatur zwischen 60°C und 90°C.
Nachdem das Werkstück gewaschen wurde, wird es mit dem zweiten Belade/Entlademanipulator
der ersten Kühleinrichtung (62) zugeführt, in welcher das Werkstück in eine Kühlflüssigkeit,
vorzugsweise Wasser, abgetaucht und gekühlt wird, wobei die Temperatur der Kühlflüssigkeit
zwischen 20°C und 40°C beträgt. Nach dem Ablauf der ersten Abkühlzeit wird das Werkstück
der ersten Kühleinrichtung entnommen und die Kerntemperatur des Werkstücks ermittelt.
Falls diese nicht in dem Bereich zwischen 25°C und 35°C liegen sollte, wird das Werkstück
mit dem Belade/Entlademanipulator der zweiten Kühleinrichtung (63) der Nachbehandlungseinrichtung
(60) zugeführt, in welcher das Werkstück auf eine Kerntemperatur zwischen 25°C und
35°C abgekühlt wird.
[0046] Nach Ablauf der vorgegebenen zweiten Abkühlzeit, die aus oben genannten Gründen der
ersten Abkühlzeit entspricht, wird das Werkstück mit dem zweiten Belade/Entlademanipulator
(20) der Trockeneinrichtung (63) zugeführt, in welcher das Werkstück über Ventilatoren
und/oder Gasdüsen getrocknet wird. Eine solche Trocknung ist notwendig, da durch die
zuvor erfolgte Kühlung des Werkstücks die Oberflächentemperatur des Werkstücks bereits
soweit erniedrigt wurde, dass die noch von dem Kühlvorgang anhaftende Waschflüssigkeit
nicht schnell genug verdampft und daher, falls mit Wasser gekühlt wurde, eine Oxidation
der Werkstückoberfläche einsetzen kann.
[0047] Nach dem Trocknen wird das Werkstück einem der beiden Anlassöfen zugeführt, in welchen
die Werkstücke bei einer Temperatur zwischen 160°C und 180°C angelassen werden. Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Werkstück nach dem Anlassen zumindest
in Teilbereichen noch einer Kugelstrahlverfestigung unterzogen wird.
1. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken, umfassend die Schritte
a) Aktivieren des Werkstücks (100) in einem Voroxidationsofen (1) bei einer Temperatur
zwischen 400°C und 500°C,
b) Einbringen des Werkstücks in einen Drehherdofen (50) über eine verschließbare Belade/Entladeöffnung
(53) des Drehherdofens mit einem ersten Belade/Entlademanipulator (10, 10'), Erwärmen
des Werkstücks auf eine vorgegebene Aufkohlungstemperatur, Aufkohlen des Werkstücks
bis zum Erreichen einer vorgegebenen Aufkohlungstiefe (CD) und Härten des Werkstücks
bei einer vorgegebenen Härtetemperatur,
c) Entnehmen des Werkstücks mit dem ersten Belade/Entlademanipulator (10, 10') aus
dem Drehherdofen (50) über die Belade/Entladeöffnung (53) und Anordnen des Werkstücks
auf einer ersten Hebeeinrichtung einer Abschreckeinrichtung (40), wobei die die Hebeeinrichtung
der Belade/Entladeöffnung des Drehherdofens zugeordnet ist,
d) Absenken des Werkstücks in ein Abschreckmedium und Abschrecken des Werkstücks auf
eine Kerntemperatur zwischen 60°C und 150°C zum Erreichen einer vorgegebenen Einhärtungstiefe
(CHD) und zum Erreichen einer vorgegebenen Härte,
e) Nachbehandeln des Werkstücks zur Vorbereitung auf ein Anlassen, wobei das Nachbehandeln
ein Waschen, Kühlen und Trocknen umfasst, und wobei das Werkstück nach dem Nachbehandeln
eine Kerntemperatur zwischen 25°C und 35°C aufweist, und
f) Anlassen des Werkstücks bei einer Temperatur zwischen 160°C und 180°C.
2. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken des Werkstücks gemäß Schritt d) derart erfolgt, dass das Werkstück
zunächst in einer dem Drehherdofen zugeordneten ersten Kammer der Abschreckeinrichtung
mit einem ersten Abschreckmedium für eine vorgegebene Zeitdauer abgeschreckt wird,
das Werkstück nach dem ersten Abschrecken mit einem Belade/Entlademanipulator (10,
10', 20) auf einer zweiten Hebeeinrichtung in einer zweiten Kammer der Abschreckeinrichtung
abgesetzt wird, in ein zweites Abschreckmedium gesenkt wird und mit dem zweiten Abschreckmedium
abgeschreckt wird, wobei die Kerntemperatur des Werkstücks nach dem Gesamtabschreckvorgang
zwischen 60°C und 150°C beträgt.
3. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück von der ersten Hebeeinrichtung im ersten Abschreckmedium auf einem
Drehteller (44) einer Dreheinrichtung abgesetzt wird, die das Werkstück mit einer
einstellbaren Drehzahl im Abschreckmedium dreht, wobei die erste Hebeeinrichtung zum
Absetzen des Werkstücks über den äußeren Umfang des Drehtellers der Dreheinrichtung
nach unten abgesenkt wird.
4. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Nachbehandeln gemäß Schritt e) ein weiteres mal gekühlt wird.
5. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Schritte
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schritt des Nachbehandelns für 20 Minuten pro mm Einhärtungstiefe durchgeführt
wird.
6. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Schritte
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass direkt nach dem Kühlen gemäß Schritt e) das Werkstück kalt gerichtet werden.
7. Verfahren zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Schritte
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Anlassen gemäß Schritt f) zumindest in Teilbereichen einer
Kugelstrahlverfestigung unterzogen wird.
8. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstükken, aufweisend
einen Voroxidationsofen (1),
einen Drehherdofen (50) mit zumindest einer Belade/Entladeöffnung (53) und mit mehreren
über vertikal bewegbare Türen (51a, 51b, 51c, 51d, 51e) getrennte Behandlungszonen
(52a, 52b, 52c, 52d, 52e),
eine der Belade/Entladeöffnung (53) zugeordnete Abschreckeinrichtung (40) mit zumindest
einer Hebeeinrichtung,
eine Nachbehandlungseinrichtung (60) mit einer Waschzone, einer Kühlzone und einer
Trockenzone,
zumindest einen Belade/Entnahmemanipulator (10, 10', 20), und
zumindest einen Anlassofen (81, 82).
9. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstükken nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckeinrichtung (40) zwei Abschreckkammern und zwei Hebeeinrichtungen aufweist,
wobei die beiden Hebeeinrichtungen getrennt voneinander vertikal bewegbar sind und
die erste Abschreckkammer dem Drehherdofen zugeordnet ist.
10. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckeinrichtung (40) bzw. eine Kammer der Abschreckeinrichtung eine Dreheinrichtung
mit einem Drehteller (44) umfasst, wobei der Drehteller der Dreheinrichtung derart
ausgebildet ist, dass die Hebeeinrichtung über den äußeren Umfang des Drehtellers
nach unten abgesenkt werden kann.
11. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschreckeinrichtung (40) bzw. der ersten Kammer der Abschreckeinrichtung eine
gasdichte Eingangs/Ausgangsschleuse (41) mit einer Mehrzahl von gasdicht verschließbaren
Türen zugeordnet ist.
12. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der gasdicht verschließbaren Türen eine Einrichtung zum Erzeugen eines
Fluidschleiers aufweist.
13. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlungseinrichtung (60) eine weitere Kühlzone umfasst.
14. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ferner eine der Nachbehandlungseinrichtung (60) nachgeschaltete Kaltrichteinrichtung
umfasst.
15. Anlage zum kontinuierlichen Einsatzhärten von Werkstücken nach einem der Ansprüche
8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ferner eine dem zumindest einen Anlassofen (81, 82) nachgeschaltete Kugelstrahlverfestigungseinrichtung
umfasst.