工件接纳装置的制作方法

本发明涉及一种用于在热处理系统中接纳工件的工件接纳装置，其中，由于热处理，工件经历热膨胀和/或收缩，或者经历由于在相变期间在微观结构中产生的密度差而引起的膨胀和/或收缩。

背景技术：

1、为了对工件进行热处理，例如对工件进行加热或淬火，工件必须被牢固地配置并且相对于处理系统配置在精确位置，以便实现非常精确的热输入以及随后对处理区进行限定的淬火工艺。为此目的，可以使用传统的夹持部件，诸如以所谓的三爪夹盘或四爪夹盘为例，三爪夹盘或四爪夹盘包括三个夹持爪或四个夹持爪，这些夹持爪安装在工作台上并且绕着待保持的工具在周向上分组。在这些夹持爪中，在对工件进行处理之前，工件被夹持和保持，其中可以对夹持爪进行重新定位，以便补偿热收缩和/或膨胀，或由于在相变期间在微观结构中产生的密度差而引起的收缩和/或膨胀。另外，对于这种装置，已知的是使整个工作台与夹持爪一起运动经过固定的热源，以便简化热源所需的供应线路的重新定位。

2、然而，在该装置中不利的是，由于待补偿的热膨胀或收缩，对爪进行重新定位所需的力可能被选择得过低，于是由此可能导致爪不再抵靠工件并且因此无法充分地固定工件，或者爪的力过高会导致工件的变形。

3、另外，对于已知的装置，问题在于，由工作台、夹持爪和工件构成的待运动的大质量导致工作台的驱动系统中产生非常高的磨损，使得必须经常更换其组成部件(components)或者必须完全更换驱动器。此外，由于待运动的大质量和装置的尺寸，为工艺参数(诸如以感应器与工件之间的相对速度为例)设定了总体限制，结果是无法总是实现到工件中的优化热输入。

4、然而，热输入和热输入在工件中的分布是非常重要的，以便在处理区中实现期望的工件特性并且控制所得的尺寸和形状变化(工件翘曲)。在感应硬化的示例的情况下，影响热输入和温度分布的已知可能性是工艺参数或工艺设计(电功率、加热时间、加热频率、感应器-工件耦合距离、感应器材料、感应器设计、磁场集中器的目标使用、工件材料、工件材料的先前条件、工件相对于感应器的相对速度等)的合适选择。

5、此外，硬化系统应优选地不仅能够处理特定工件，而且还可以灵活地用于各种类型的工件，特别是各种尺寸的工件。

技术实现思路

1、因此，工件接纳装置是热处理系统和热处理成功的决定性元件。因此，本发明的目的在于提供一种工件接纳装置，特别是工件夹持系统，其优选地整体上实现以下功能：

2、-确保预定的感应器-工件耦合距离；

3、-将工件定位在限定位置；

4、-抵抗在整个处理时间期间的作用力(例如，磁场)而将工件保持在限定位置；

5、-确保热处理的良好再现性；

6、-允许在工件的所有位置(内侧、外侧、上方侧表面和下方侧表面)进行热处理；

7、-避免裂纹形成；

8、-允许使所得的工件翘曲最小化；以及

9、-可灵活地用于各种类型和尺寸的工件。

10、该目的通过根据专利技术方案1的工件接纳装置来实现。

11、在下文中，提出了一种用于在热处理系统中接纳工件的工件接纳装置，其中，接纳在工件接纳装置中的工件经历热膨胀和/或收缩，或者经历由于在相变期间在微观结构中产生的密度差而引起的膨胀和/或收缩。在下文中，仅讨论热膨胀或收缩，因为即使在相变的情况下，通常也存在热分量(thermal component)。这里，工件接纳装置包括至少两个夹持单元，所述至少两个夹持单元被设计为将径向夹持力和/或轴向夹持力施加到工件上，使得工件在预定位置处定位在工件接纳装置中。特别地，工件是具有闭合曲线的工件，优选地，工件被设计为旋转对称的，诸如以滑动轴承或滚动轴承的元件、轴承圈、齿轮、螺栓、套筒、盘等为例。

12、为了能够尽最大可能接近工件并且因此在所有位置上、特别是也在面向工件接纳装置的表面上进行热处理，为了减少工件接纳装置的组成部件(components)的磨损、特别是由于高质量而产生的磨损，为了优化到工件中的热输入，并且同时为了创建能够灵活地适配不同工件的工件接纳装置，还设置了至少两个接触单元，优选为至少三个接触单元，这些接触单元适于使工件搁置在其上，其中，接触单元中的至少一个包括承载件和固定在承载件上的可更换接触元件，可更换接触元件适于接触且可旋转地支撑处于预定位置的工件。这里，接触元件的可更换性使得能够适配各种待支撑工件的几何形状。因此，例如，根据待支撑的工件的形状和结构，可更换接触元件可以具有圆柱形、圆锥形或圆环形的外轮廓。

13、根据一个优选的示例性实施方式，可更换接触元件在接触单元的承载件上的位置也是可任意调节的，特别是可更换接触元件到工件接纳装置的中心点的径向距离也是可任意调节的。由此，工件接纳装置可以接纳不同形状和尺寸的工件，特别是具有不同直径的工件。

14、另外，优选的是，至少一个接触单元的承载件被构造为轴，并且可更换接触元件被构造为可滑动到轴上的套筒，其中特别地，套筒被构造为能够在轴上移位。这使得可以提供能够特别容易适配的工件接纳装置。

15、这里特别有利的是，接触单元的承载件被构造为杆状的并且从中心点在径向上向外呈轮辐状(spoke-like)延伸，其中，杆状承载件优选地形成使可更换接触元件能够在其上滑动的轴，并且接触单元中的每个包括供工件抵靠的可更换接触元件。由此可以实现能够易于适配各种工件并且同时需要相对较少的固有材料的工件接纳装置。

16、为了实现无倾斜的工件支撑，另外有利的是，工件接纳装置包括三个杆状承载件，所述三个杆状承载件分别以大约120°的角度彼此间隔开。作为另一种选择，优选地也可以存在四个杆状承载件，其中，四个杆状承载件以x形配置分布的方式布置在工件接纳装置上。

17、另外，优选的是，接触单元中的至少一个、特别是可更换接触元件和/或夹持单元中的一个被构造为驱动单元，并且被设计为使接纳在工件接纳装置中的工件运动，特别是将接纳在工件接纳装置中的工件设定为旋转。由此可以提供简单且成本高效地使工件运动的驱动单元。另外，由于只有工件被设定为运动，而不是由工件、工作台、夹持单元和其它设备构成的整个单元必须被设定为运动，因此即使对于大的工件，也可以实现待设定运动的部件的大幅重量减轻。除了降低组成部件载荷并且由此还降低驱动系统的组成部件磨损之外，这进而还允许更精确地设定工艺参数(诸如以相对速度为例)，并且因此改善对到工件的热输入。另外，与传统系统相比，需要花费较少的能量来设定工件旋转，使得由此还可以降低成本。

18、根据一个有利的示例性实施方式，可更换接触元件被构造为摩擦辊，所述摩擦辊以摩擦配合的方式与工件相互作用，以便使工件运动。由此可以提供特别成本高效的驱动单元。

19、这里特别有利的是，由工件施加到可更换接触元件上的重力确定可更换接触元件与工件之间的摩擦力。这使得即使在没有特别设计的摩擦表面来额外地增加摩擦力时，可以设计摩擦辊。特别是对于大且重的工件，仅重力本身就足以使得可更换接触元件能够设定工件旋转。

20、然而，当然也可能的是，可更换接触元件包括增加可更换接触元件与工件之间的摩擦力的摩擦表面(/摩擦镀面)(friction surfacing)。这里，摩擦表面可以由弹性体材料或橡胶材料制成，弹性体材料或橡胶材料一方面将高摩擦力施加到工件上，另一方面特别是由于其弹性而可以无损伤地支撑工件。

21、也可能的是，对于配备有可更换接触元件的多个接触单元，可更换接触元件可以被不同地设计；因此，例如，可更换接触元件中的仅一个可以包括弹性体摩擦表面，而其他可更换接触元件没有摩擦表面或具有不同的摩擦表面。

22、由于可更换接触元件作为驱动单元的构造和上述的优选设计，可以确保，即使在组成部件发生热收缩或膨胀的情况下，也能对工件提供优化的驱动。这里另外有利的是，在驱动单元上设置测量装置，例如确定重力的压力传感器。这里，如下实施方式也是有利的：其中，控制单元可以基于测量的重力或确定的摩擦力(可以由摩擦辊的重力和/或摩擦系数构成)来控制驱动单元，使得重力和/或摩擦力得到优化。由此可以确保，即使在热膨胀或收缩的情况下，或者在结构不对称的情况下(诸如以不平衡为例)，工件仍然总是被恒定的力驱动。还避免了由于在工件上的高力而造成的损坏。

23、另外，通过确定/设定摩擦力，还可以确保工件与驱动单元之间的滑移被最小化。此外，限定的摩擦力允许精确设定运动速度(/移动速度)；特别地，可以允许工件以限定的速度旋转。

24、根据另一优选的示例性实施方式，至少一个可更换接触元件的旋转轴线被构造为垂直于工件的旋转轴线。由此可以通过可更换接触元件将适于设定工件运动和旋转的在切向上取向的运动脉冲施加到工件上。

25、另外，有利的是，每个接触单元包括抵靠工件的可更换接触元件。由此可以确保，工件以特别低摩擦的方式在工件接纳装置中运动。这里，可更换接触元件中的仅一个还可以被构造为驱动单元并且被主动地驱动，而其他可更换接触元件不构造为驱动单元并且能够通过工件的运动而被动地设定为旋转。由于仅存在单个驱动单元，因此这实现了能量节省的驱动并且同时在控制技术方面实现简单的结构。对于多个驱动单元，必须确保它们以相同的速度旋转，以便确保均匀的驱动运动。这进而比仅单个可更换接触元件用作驱动单元时需要更复杂的控制(控制单元)。

26、根据另一优选的示例性实施方式，还设置有至少一个转速测量单元，所述至少一个转速测量单元确定驱动的可更换接触元件的转速，并且其中，优选地，在被动旋转的可更换接触元件中的一个上设置有另一转速测量单元，所述另一转速测量单元确定被动驱动的可更换接触元件的转速，并且其中，还设置有控制单元，所述控制单元为此目的被设计为根据被主动驱动的可更换接触元件与被动驱动的可更换接触元件之间的转速差来确定工件的滑移。除了上述确定重力之外，转速测量也可以用于确定驱动的可更换支撑元件是否有足够的摩擦力。

27、特别地，有利的是，控制单元还被设计为在超过预定转速差的情况下增加摩擦力和/或发出关于滑移增加的通知。

28、如上所述，接触单元(特别是可更换接触元件)优选地附接到从工件的中心点在径向上延伸的承载件上。离散的承载件允许特别自由地接近工件，特别是甚至接近工件抵靠接触单元的表面。由于离散的轴，可以将其他组成部件(诸如以感应硬化系统的感应器为例)放置在工件周围的任何位置处。

29、这里，也如上所述，可更换接触元件优选地被配置为能够在承载件上运动就位，使得可更换接触元件的位置可以适配待处理工件的尺寸和/或厚度(壁厚/材料厚度)。这种设计使得工件接纳装置可以普遍地用于各种工件，并且可以容易地进行调节。此外，可更换接触元件在承载件上的可旋转支撑可以被特别简单地设计。

30、根据另一优选的示例性实施方式，夹持单元还附接到从工件的旋转中心在径向上延伸的承载件，其中优选地，夹持单元被构造为夹持柱，夹持柱的纵向轴线基本上垂直于承载件的纵向轴线延伸。类似于上述优点，用于夹持单元的承载件还提供了对待热处理区域的特别自由的可接近性。

31、夹持单元本身确保了工件在工件接纳装置中的牢靠且位置精确的握持。这里特别优选的是，夹持单元包括至少一个可运动元件，特别是可旋转的夹持柱，或者夹持单元本身被构造为朝向工件预紧(preloaded)的可运动元件，使得可运动元件的运动跟随工件的热膨胀和/或收缩。优选地，可旋转的夹持柱是抵靠工件的可旋转元件，可旋转的夹持柱的旋转轴线优选地被构造为平行于工件的旋转轴线。由此可以确保，在夹持单元的夹持期间，可以容易地校正工件的位置不准确性。

32、当然，也可以将一个或多个夹持柱设计为设置用于使工件运动的驱动单元，特别是设计为摩擦轮或摩擦辊，作为接触单元的一个或多个被驱动的可更换接触元件的替代或补充。对于接触单元的被设计为驱动单元的可更换接触元件所提及的优点和实施方式这里同样适于被构造为驱动单元的夹持单元。

33、根据另一优选的示例性实施方式，与接触单元一样，三个承载件也分别可用于夹持单元；承载件以大约120°的角度彼此间隔开。三个夹持单元确保对工件进行位置精确的支撑。这里，对于包括夹持单元的承载件，夹持单元优选地布置在径向外端上，而对于包括可更换接触元件的承载件，它们适配工件的尺寸和形状，其中，它们的位置取决于待处理工件的尺寸和/或厚度。由于两个系统彼此独立地布置并且绕着工件的圆周均匀地分布，因此提供了能够容易地适配最多样化的工件的可单独调节的工件接纳装置。

34、作为另一种选择，夹持单元和可更换接触元件可以分别附接到公共的承载件，其中，可更换接触元件的承载件(特别是杆状承载件)也形成夹持单元的承载件。由此可以减少工件接纳装置的组成部件的数量，而不必放弃这些组件的优点。这里还有利的是，可更换接触元件和夹持单元还被设计为组合元件，这进一步减少组成部件(components)的数量。

35、接触单元和/或夹持单元的承载件优选绕着每个承载件的支承组件可旋转地布置，其中，承载件的支承组件(carrier bearing assembly)可以居中地布置在承载件上或者布置在相应承载件的轴向端部上。特别地，有利的是，承载件的支承组件不与工件的旋转中心点重合，而是每个承载件具有其自身的承载件支承组件，该承载件支承组件相对于工件的旋转中心点偏心布置。各个承载件的支承组件相对于工件的旋转中心点的偏心度(eccentricity)可以被设计为相同和/或不同。特别地，彼此相对的承载件可以具有相同的偏心度。这种设计对于承载夹持单元的承载件是特别有利的。

36、根据另一优选的示例性实施方式，对于旋转对称的工件，由夹持单元施加的夹持力的设定可以由承载件从沿着工件半径延伸的承载件的位置的角位移来限定。因此，例如，对于在径向上向内指向的夹持力，即，通过布置在工件的径向外侧的夹持单元来夹持工件，当承载件精确地沿着工件的半径取向时，可以实现打开位置，即，未夹持位置或零位置。随着承载件移出该零位置，附接到承载件的夹持单元接近工件的径向外表面，并且可以在工件上施加夹持力。相反，如果通过在径向上向外指向的夹持力来夹持工件，即，通过布置在工件的径向内侧的夹持单元来夹持工件，则当承载件朝向在半径方向上的取向旋转时，夹持增强。在这种情况下，在承载件相对于半径取向的特定最大角位移上，特别是在45°处，给出零位置。

37、这使得如下示例性实施方式成为可能：其中，可以通过使承载件移位来调节夹持或夹持单元，使得可以省略用于提供夹持(参见下文)的其他可运动元件。这里，夹持优选地通过承载件(特别是呈x形配置的承载件)的移位来实现，并且即使在热处理期间工件发生膨胀/收缩期间，总体上也确保夹持单元的恒定夹持和抵接。这可以通过以下方式来实现：承载件之间的角度不是保持恒定，而是承载件能够靠近彼此或远离彼此运动，这进而确保即使在工件从夹持单元产生不均匀的收缩/膨胀的情况下，最终也会对工件施加恒定的夹持。

38、此外，有利的是，在夹持单元上设置可运动元件，所述可运动元件可以与夹持柱单独地或成一体地形成，并且以额外的限定夹持力和限定的力施加点来夹持工件。在保持基本夹持的情况下，由此可以跟随由于在铁素体/α铁到奥氏体/γ铁的相变的温度范围(a1温度到a3温度，大约700℃到1150℃，取决于钢、微观结构条件和加热速度)中的热收缩和/或由于随后的冷却而引起的工件收缩或减少的工件生长。然而，同时，由于可运动元件，还可以跟随由于在从奥氏体/γ铁到马氏体和/或贝氏体/珠光体/铁素体的相变的范围(取决于固溶状态和钢，马氏体形成的该温度范围通常可以落在大约400℃至100℃)中的淬火期间的体积增加而引起的工件生长或减少的工件收缩。当然，夹持柱本身也可以代表可运动元件。

39、这里，特别有利的是，在基本上旋转对称的工件中，可运动元件能够在轴向上、在径向上和/或在切向上运动。因此，不仅可以支持热膨胀/收缩或由于在相变期间在微观结构中产生的密度差而引起的膨胀/收缩，而且可以在夹持期间补偿工件的制造公差，诸如以工件的特定椭圆度为例。这种适配对于具有闭合曲线的工件(诸如以滑动轴承或滚动轴承的元件、轴承圈、齿轮、螺栓、套筒、盘等为例)是特别有利的。特别是对于环形工件，夹持单元优选地例如通过电动或液压驱动器而在径向上可移位，并且在热处理之前朝向工件运动，直到工件被牢固地保持在夹持单元之间。为了能够补偿制造公差，夹持单元中的一个或多个可以被支撑为使得该夹持单元能够偏心地移位。另外的设计提出了，在径向上保持工件的夹持单元另外也可以在轴向方向上跟随热膨胀/收缩，或由于在相变期间在微观结构中产生的密度差而引起的膨胀/收缩。这里，特别有利的是，可运动元件形成为偏心支撑元件，因为偏心支撑提供了元件的径向可运动性和切向可运动性两者。

40、根据另一优选的示例性实施方式，还设置了控制单元，所述控制单元控制夹持单元的接触力或夹持力，其中，控制单元优选被设计为控制可运动元件的运动。因此，例如，夹持单元可以包括至少一个测量装置，用于记录在加热过程期间以及在加热过程结束之后的形状和尺寸变化(翘曲)。所记录的数据还可以用于后续的加工过程，以便根据这些过程对各个工件进行适配。在一个优选的示例性实施方式中，至少一个夹持单元(特别是可运动元件)包括至少一个力测量装置，所述至少一个力测量装置与控制单元相互作用并且被配置为测量夹持单元(特别是可运动元件)抵靠工件的接触力。

41、此外，可运动元件本身也可以被构造为驱动单元。

42、根据另一有利的示例性实施方式，可运动元件的夹持通过机械预加载元件(/机械预紧元件)(mechanical preload element)实现。机械预加载元件可以被容易地安装并且不需要额外的控制，这总体上使工件接纳装置易于操作并且成本高效。

43、这里，机械预加载元件可以是至少一个弹簧元件，所述至少一个弹簧元件与可运动元件相互作用并且朝向工件对可运动元件进行预加载。例如，弹簧元件可以是线簧、板簧、螺旋弹簧和/或弹簧片，但是也可以使用塑料，诸如以弹性体为例。

44、另外，可能的是，可运动元件的机械预加载通过摩擦装置形成，所述摩擦装置使得可运动元件仅在超过特定摩擦值之后才能够运动。基于在热处理期间膨胀/收缩的工件施加在可运动元件上的压力，可运动元件的运动由此可以仅在超过特定阈值之后实现。

45、代替机械预加载装置，可运动元件的预加载也可以通过可由控制单元控制的装置来实现。这里，预加载例如可以通过跟随热膨胀/收缩的液压、气动或电操作的元件来实现。例如，可运动元件可以是油或气操作的压力阻尼器。

46、尤其是在利用控制单元控制预加载的情况下，可以特别精确地跟随收缩/膨胀。为了进一步提高跟随的精度和灵敏度，夹持单元、接触单元和/或驱动单元可以配备有至少一个力测量装置，所述至少一个力测量装置与控制单元相互作用并且被设计为测量接触力、夹持力和/或摩擦力。根据该测量的力，控制单元然后可以控制夹持单元、接触单元和/或驱动单元，以便在处理期间在工件上施加均匀的力。此外，由于力测量装置，在将工件夹持到工件接纳装置中期间可以适配制造误差，使得在夹持工件期间已经实现了在各种夹持单元上的均匀压力。

47、当然，作为另一种选择或额外地，控制单元还可以基于预先计算的数值表来控制夹持单元、接触单元和/或驱动单元，以便能够平衡计算的和预期的膨胀/收缩。这里，数值表可以凭经验确定和/或存储在控制单元可访问的数据库中。这意味着数据库可以内部存储在控制单元本身中或者在外部数据库中可用。

48、在一个优选的实施方式中，控制单元还可以额外地对由于加工系统而作用在工件上的力作出反应，并且以根据所测量的力的方式或积极主动地增大或减小预加载(/预紧力)。例如，在预期到暂时作用在工件上的电的力、机械力或磁力的情况下，可以以目标控制的方式对当前的预加载增加或减少一定预加载值。优选地，基于热膨胀调节的预加载与受控的偏移的这种临时叠加可以优选地被启动和停止。这里，另外，可以基于数值表来控制夹持单元、接触单元和/或驱动单元，以便能够可靠地支持和/或平衡所计算的和预期的工件上的力。另外，控制单元可以被设计为使得其可以从调节操作切换到受控操作，在调节操作中，基于力测量装置(例如，测力传感器)的测量值来设定预加载力，在受控操作中，基于数值表来设定预加载力，并且可以对应地从受控操作切换回到调节操作。因此，例如可以在热膨胀期间最大可能地调节预加载，或完全基于预定的预加载压力，并且在后续的热收缩(诸如以快速淬火为例)期间将预加载压力增加到固定值。

49、这里，数值表或基于数值表的数值对夹持力、接触力和/或摩擦力的设定特别地可以取决于在加工过程期间在工件中预期的测量的和/或计算的温度变化。

50、根据另一有利的示例性实施方式，夹持单元中的至少一个被形成为偏心支撑的夹持柱或滑动靴(slide shoe)。夹持柱和/或滑动靴本身可以被形成为可运动元件(/可移动元件)或可旋转元件。然而，作为另一种选择或额外地，它们也可以分别包括至少一个其他可运动元件。此外，有利的是，可以将由例如摩擦颗粒制成的涂层或凸出物(ribbings)施加到夹持柱；凸出物或涂层有助于与工件的接触，并且确保工件在工件接纳装置中的运动/驱动。

51、工件接纳装置的夹持单元、接触单元和/或驱动单元可以被单独地或联合地控制。

52、为了夹持单元、接触单元和/或驱动单元本身不会经历太大的热膨胀/收缩，它们有利地由耐热材料(诸如以陶瓷、聚合物陶瓷、硅酸铝、石头、火泥或特种钢合金为例)制成。

53、本发明的另一方面涉及一种用于对工件进行热处理的方法，所述工件被接纳在如上所述的工件接纳装置中，其中，所述方法包括以下步骤：

54、-将所述工件插入工件接纳装置中；

55、-夹持夹持单元，直到每个夹持单元接触工件并且以可预定的夹持力、优选地以等高的夹持力抵靠工件；

56、-启动(activating)驱动单元，用于使工件在工件接纳装置中运动；

57、-开始热处理；

58、-在热处理期间主动或被动地重新调节夹持单元和/或驱动单元，使得在可预定的时间段期间或在整个热处理期间在夹持单元和/或驱动单元之间施加预定的夹持力、摩擦力和/或接触力。

59、由此可以使工件在热处理期间的变形最小化。

60、在说明书、附图和权利要求中指明了其他优点和有利的实施方式。这里，特别地，在说明书和附图中指明的特征的组合仅仅是示例性的，使得这些特征还可以单独存在或以其他方式组合存在。

61、在下文中，使用在附图中描绘的示例性实施方式更详细地描述本发明。这里，示例性实施方式和在示例性实施方式中示出的组合仅仅是示例性的，并且不旨在限定本发明的范围。该范围仅由未决权利要求限定。