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DE19948843C2 - Method and device for determining the partially fluid structure during inductive heating of workpieces - Google Patents

Method and device for determining the partially fluid structure during inductive heating of workpieces

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DE19948843C2
DE19948843C2 DE19948843A DE19948843A DE19948843C2 DE 19948843 C2 DE19948843 C2 DE 19948843C2 DE 19948843 A DE19948843 A DE 19948843A DE 19948843 A DE19948843 A DE 19948843A DE 19948843 C2 DE19948843 C2 DE 19948843C2
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Germany
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threshold value
eff
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threshold
alternating current
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Klaus Siegert
Jens Baur
Andreas Wolf
Gunnar Bischoff
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Fgu Forschungsgesellschaft Umformtechnik Mbh 7
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken, wobei Prozeßgrößen des Erwärmungsvorganges in bezug auf vorbestimmte Referenzgrößen überwacht werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the partially fluid structure during inductive heating of Workpieces, with process variables of the heating process in be monitored with respect to predetermined reference values. In addition, the invention relates to a device for Execution of the procedure.

Für die Verfahren des Thixoformings ist es erforderlich, umzuformende Rohteile in einen Gefügezustand zu versetzen, der neben einer festen Phase auch eine flüssige Phase aufweist.For the processes of thixoforming it is necessary to put raw parts to be formed into a structural state, which in addition to a solid phase also a liquid phase having.

Die genaue Ermittlung dieses Gefügezustands erfolgte ursprünglich über die Überwachung einer in Echtzeit gemessenen Temperatur bezüglich einer zuvor empirisch ermittelten Temperatur. Hierfür wurden entweder Thermoelemente in zuvor eingebrachte Bohrungen des Rohteils eingelassen oder Thermokameras zum Einsatz gebracht. Die erste Variante eignete sich nicht für den Serieneinsatz, die zweite Variante war zu ungenau. Beidem suchte man durch Überwachung von Potentialdifferenzen oder Rohteilverformungen zu begegnen, was wiederum zu großer thermischer Belastung von Teilen der Meßeinrichtungen führte. Dieses Problem ist auch einem bekannten Verfahren zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken oder ihres Feststoffanteils im teilerstarrten Zustand gemäß DE 43 38 200 A1 eigen, bei dem der Phasenvergleich zwischen und/oder der Quotient aus einem in die Induktionsspule induzierten Signal und einem an einer Meßspule abgegriffenen Signal überwacht wird, wobei die Induktionsspule Teil eines Schwingkreises ist. Aufgrund der Verknüpfung mehrerer Signale tritt zu dem Nachteil der Temperaturbelastung noch der Nachteil der Fehleraddition hinzu.This structural state was determined exactly originally about monitoring one in real time measured temperature with respect to a previously empirical determined temperature. For this either Thermocouples in previously drilled holes in the blank embedded or thermal cameras used. The first variant was not suitable for series production, the second variant was too imprecise. You searched both Monitoring of potential differences or raw part deformation encounter, which in turn leads to great thermal stress from  Parts of the measuring equipment led. This problem is too a known method for measuring the temperature of metallic workpieces or their solid content in partially solidified state according to DE 43 38 200 A1, in which the phase comparison between and / or the quotient from one signal induced in the induction coil and one at one Measuring coil tapped signal is monitored, the Induction coil is part of an oscillating circuit. Due to the Linking multiple signals comes at the disadvantage of Temperature exposure is still the disadvantage of error addition added.

Neben den Verfahren zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands umzuformender Rohteile ist gemäß EP 0 427 879 A1 allgemein ein Verfahren zum, induktiven Erwärmen von Werkstücken bekannt, das auf der Überwachung der Werkstückwirkleistung beruht, was die schwierige Ermittlung der Verlustleistung impliziert. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur werkstoffabhängigen Steuerung von Wärmebehandlungsprozessen von Metallen gemäß DE 39 25 047 A1, das im Gegensatz zu allen bisherigen Verfahren auf Schwingkreise verzichtet, ist auf die Erfassung und Berücksichtigung zufälliger Veränderungen der Werkstoffeigenschaften gerichtet. Es stützt sich dabei auf die Überwachung des zeitlichen Verlaufes einer oder mehrerer Prozeßgrößen der induktiven Erwärmung in bezug auf empirisch ermittelte zeitliche Verläufe, weshalb die Erwärmung weder unterbrochen noch in ihrem Ablauf verändert werden darf.In addition to the procedure for determining the partially liquid The structural state of raw parts to be formed is according to EP 0 427 879 A1 generally a method for the inductive heating of Workpieces known to monitor the Workpiece active power is based on what makes the difficult determination the power loss implied. Another well known Process for material dependent control of Heat treatment processes of metals according to DE 39 25 047 A1, in contrast to all previous methods Oscillating circuits are dispensed with, the detection and Taking into account random changes in the Material properties directed. It is based on this the monitoring of the time course of one or more Process variables of inductive heating in relation to empirical  determined temporal courses, why the warming neither interrupted can still be changed in its process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 zu schaffen, die bei geringer Temperaturbelastung eine hohe Genauigkeit ermöglichen.The invention has for its object a method and a device for determining the partially liquid Microstructure state when inductively heating workpieces to create the preambles of claims 1 and 10, which at low temperature load a high accuracy enable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst.According to the invention, this object is achieved through the features of Claims 1 and 10 solved.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Überwachung des Effektivwertes des in die Induktionsspule eingespeisten Wechselstromes auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten ersten Schwellwertes, der einen vorbestimmten Gefügezustand des Werkstückes repräsentiert. Da sich das Verfahren nur auf eine einzige Meßgröße stützt, ist nur ein einziger Meßfehler zu berücksichtigen. Da die einzige Meßgröße der in die Induktionsspule eingespeiste Wechselstrom ist, entfallen Temperaturbelastungen. Die fehlende Zeitabhängigkeit ermöglicht darüber hinaus bei Beibehaltung ein . und derselben Referenzgröße Änderungen und Unterbrechungen des Erwärmungsvorganges. Auf der Basis dieses Effektivwertes, der vorzugsweise aus einem mittels Strommeßzange gewandelten Stromverlauf errechnet wird, sind eine Reihe ergänzender Überwachungen möglich. In einer ersten Ausbildung des Verfahrens wird bei Unterschreitung des ersten Schwellwerts durch den Effektivwert eine Toleranz, die der Differenz aus dem Mittelwert des Effektivwertes eines Zeitraumes einerseits und dem ersten Schwellwert andererseits entspricht, auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten zweiten Schwellwertes überwacht. Zusätzlich oder stattdessen ist es auch vorgesehen, bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes durch den Effektivwert die Anzahl nachfolgender Unterschreitungen des ersten Schwellwertes auf Überschreitung eines empirisch ermittelten dritten Schwellwertes zu überwachen. Schließlich kann gemäß einer dritten Ausbildung des Verfahrens bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes durch den Effektivwert alternativ oder zusätzlich auch die Zeit bis zur nächsten Unterschreitung des ersten Schwellwertes auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten vierten Schwellwertes überwacht werden. Bei Eintritt einer oder mehrerer Überwachungsbedingungen wird die induktive Erwärmung auf vorbestimmte Weise verändert oder abgebrochen, wobei die Veränderung der Erwärmungsleistung vorzugsweise über die Veränderung der Frequenz und/oder der Impulsbreite einer den Wechselstrom erzwingenden Wechselspannung erfolgt, wobei diese vorzugsweise eine rechtförmige Wechselspannung ist. Bei Eintritt einer oder mehrerer Überwachungsbedingungen kann das Werkstück auch umgeformt oder einer Umformeinrichtung zugeführt werden. The method according to the invention is based on monitoring the effective value of the fed into the induction coil Alternating current on falling below an empirical determined first threshold value, which is a predetermined Represented structural state of the workpiece. Since that Method based on a single measurement is only one only measurement error to be considered. Because the only one Measured variable of the alternating current fed into the induction coil temperature loads are eliminated. The missing Time dependency also enables retention on . and the same reference size changes and Interruptions in the heating process. Based on this Effective value, which preferably consists of a medium Current clamp converted current curve is calculated a number of additional monitoring options are possible. In a first  Training of the procedure is carried out when the first Threshold value through the effective value a tolerance that the Difference from the mean of the effective value of a Period on the one hand and the first threshold on the other corresponds to falling below an empirically determined second threshold value is monitored. In addition or instead it is also intended to fall below the first Threshold value through the rms value the number subsequent falls below the first threshold Exceeding an empirically determined third Monitor threshold values. Finally, according to one third training of the procedure when falling below the first threshold value through the effective value alternatively or in addition also the time until the next fall below the first threshold on falling below an empirical fourth threshold determined are monitored. at One or more monitoring conditions will occur changes the inductive heating in a predetermined manner or canceled, the change in heating output preferably about the change in frequency and / or Pulse width of one that forces the alternating current AC voltage takes place, this preferably a is legal AC voltage. When one or The workpiece can also meet several monitoring conditions formed or fed to a forming device.  

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken besitzt eine Induktionsspule, eine die Induktionsspule speisende Wechselstromquelle, einen Stromwandler zur Wandlung des eingespeisten Wechselstromes und eine Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten.The inventive device for determining the partially fluid structure during inductive heating of Workpieces have an induction coil, one that Induction coil feeding AC source, one Current transformer for converting the alternating current fed and a device for generating control data.

Diese wiederum weist wenigstens auf
This in turn has at least

  • - eine Recheneinrichtung, die in Echtzeit aus dem gewandelten Stromverlauf den Effektivwert Ieff(t) des eingespeisten Wechselstromes (I(t) bildet,a computing device which forms the effective value I eff (t) of the fed alternating current (I (t) from the converted current profile in real time,
  • - einen ersten Speicher, der empirisch ermittelte Effektivwerte, die vorbestimmte Gefügezustände des Werkstückes repräsentieren, als erste Schwellwerte S speichert, und- a first memory, which was determined empirically RMS values, the predetermined structural states of the Represent workpiece, as first threshold values S stores, and
  • - einen ersten Trigger, der bei Unterschreitung eines vorbestimmten ersten Schwellwertes S durch den Effektivwert Ieff(t) ein erstes Steuersignal auslöst.a first trigger which triggers a first control signal when the rms value I eff (t) falls below a predetermined first threshold value S.

Die Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten kann aber auch umfangreicher ausgebildet sein. Sie weist dann beispielsweise auf
The device for generating control data can also be designed to be more extensive. It then has, for example

  • - eine Recheneinrichtung, die in Echtzeit aus der Differenz aus dem Mittelwert M(Ieff(t)) des Effektivwertes Ieff(t) über einen vorbestimmten Zeitraum dt einerseits und dem ersten Schwellwert S andererseits eine Toleranz Delta = M(Ieff(t) - S bildet, - A computing device that real-time from the difference from the mean M (I eff (t)) of the effective value I eff (t) over a predetermined period dt on the one hand and the first threshold value S on the other hand a tolerance Delta = M (I eff (t ) - S forms,
  • - einen zweiten Speicher, der empirisch ermittelte Toleranzen als zweite Schwellwerte Epsilon speichert, und- a second memory, which was determined empirically Tolerances as second thresholds Epsilon stores, and
  • - einen zweiten Trigger, der bei Unterschreitung des zweiten Schwellwertes Epsilon durch die Toleranz Delta ein zweites Steuersignal auslöst.- a second trigger, which falls below the second threshold value epsilon through the tolerance delta second control signal is triggered.

Die zusätzliche oder alternative Ausbildung kann aber auch umfassen
The additional or alternative training can also include

  • - eine Recheneinrichtung, die in Echtzeit die Anzahl n von Unterschreitungen des ersten Schwellwertes S durch den Effektivwert Ieff(t) ermittelt,a computing device which determines in real time the number n of undercuts of the first threshold value S by the effective value I eff (t),
  • - einen dritten Speicher, der empirisch ermittelte Anzahlen von Unterschreitungen des ersten Schwellwertes S als dritte Schwellwerte Z speichert, und- a third memory, the empirically determined numbers of falling below the first threshold value S as the third Stores threshold values Z, and
  • - einen dritten Trigger, der bei Überschreitung des dritten Schwellwertes Z durch die Anzahl n ein drittes Steuersignal auslöst.- a third trigger, which is exceeded when the third threshold value Z by the number n a third Control signal triggers.

Schließlich kann es vorgesehen sein, die Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten zusätzlich oder alternativ zu versehen mit
Finally, it can be provided to additionally or alternatively provide the device for generating control data

  • - einer Recheneinrichtung, die die Zeit dtu zwischen zwei Unterschreitungen des ersten Schwellwertes S durch den Effektivwert Ieff(t) ermittelt,a computing device which determines the time dtu between two undershoots of the first threshold value S by the effective value I eff (t),
  • - einem vierten Speicher, der empirisch ermittelte Zeiten zwischen Unterschreitungen des ersten Schwellwertes S durch den Effektivwert Ieff(t) als vierte Schwellwerte dts speichert, unda fourth memory, which stores empirically determined times between undershoots of the first threshold value S by the effective value I eff (t) as fourth threshold values dts, and
  • - einem vierten Trigger, der bei Unterschreitung des vierten Schwellwertes dts durch die Zeit dtu ein, viertes Steuersignal auslöst.- a fourth trigger, which falls below the fourth threshold dts by time dtu, fourth Control signal triggers.

Darüber hinaus kann die Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten eine Logik aufweisen, die bei vorbestimmten Kombinationen des ersten bis vierten Steuersignals ein fünftes Steuersignal auslöst.In addition, the facility for generating Control data have logic that is predetermined Combinations of the first to fourth control signals fifth control signal triggers.

Der Wechselstrom ist durch die Reihenschaltung eines Netzgleichrichters, eines Gleichspannungszwischenkreises und eines Wechselrichters erzeugbar, über einen MF-Transformator in die Induktionsspule einspeisbar, mittels einer primär- oder sekundärseitig ansetzbaren Strommeßzange wandelbar und mit einem der ersten bis fünften Steuersignale, die auch die Handhabung des Werkstückes auslösen können, beeinflußbar.The alternating current is through the series connection of one Mains rectifier, a DC link and of an inverter can be generated via an MF transformer can be fed into the induction coil by means of a primary or convertible current clamp attachable on the secondary side with one of the first to fifth control signals, which also the Can trigger handling of the workpiece, can be influenced.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention is based on a Embodiment explained in more detail. In the associated Show drawings

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustandes bei der induktiven Erwärmung eines Werkstückes, Fig. 1 is a block diagram of an apparatus for determination of the semi-solid structure in the state of induction heating of a workpiece,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten gemäß Fig. 1 und Fig. 2 is a block diagram of the device for generating control data according to Fig. 1 and

Fig. 3 einen Verlauf des Effektivstromes über der Temperatur des Werkstückes. Fig. 3 shows a course of the effective current over the temperature of the workpiece.

Die Vorrichtung 2 umfaßt eine Einrichtung 4 zur Erzeugung einer rechteckigen Wechselspannung U(t), einen MF- Transformator 6 zur Übertragung der Wechselspannung U(t) an eine Induktionsspule 8 zur Erwärmung eines Werkstückes 10, eine Strommeßzange 12 zum Abgreifen eines Wechselstromes I(t) an der Primär- oder Sekundärseite des MF-Transformators 6 und ein Meßsystem 14 zur Analyse des abgegriffenen Wechselstromes I(t).The device 2 comprises a device 4 for generating a rectangular alternating voltage U (t), an MF transformer 6 for transmitting the alternating voltage U (t) to an induction coil 8 for heating a workpiece 10 , a current clamp 12 for tapping an alternating current I (t ) on the primary or secondary side of the MF transformer 6 and a measuring system 14 for analyzing the tapped alternating current I (t).

Die Einrichtung 4 besteht aus einem Netzgleichrichter 16 zur Gleichrichtung von Drehstrom, einem Gleichspannungszwischenkreis 18 mit Induktivitäten L1, L2 in beiden Polsträngen und einer Kapazität C zwischen beiden Polsträngen, und einem Transistorwechselrichter 20 zur Wandlung der geglätteten Gleichspannung U in eine rechteckige Wechselspannung U(t).The device 4 consists of a mains rectifier 16 for rectifying three-phase current, a DC voltage intermediate circuit 18 with inductors L1, L2 in both pole strands and a capacitance C between the two pole strands, and a transistor inverter 20 for converting the smoothed DC voltage U into a rectangular AC voltage U (t) ,

Das software- und/oder hardwaremäßig realisierte Meßsystem 14 weist gemäß Fig. 2 eine Recheneinheit 22 auf, deren Schnittstellen einerseits an die Strommeßzange 12 und andererseits an Speicher 24 bis 30 und Trigger 32 bis 38 führen, deren Ausgängen eine Logik 40 zugeordnet ist. According to FIG. 2, the software and / or hardware-implemented measuring system 14 has a computing unit 22 , the interfaces of which on the one hand lead to the current clamp 12 and on the other hand to memories 24 to 30 and triggers 32 to 38 , the outputs of which are assigned to logic 40 .

Der Trigger 32 spricht an, wenn die Recheneinheit 22 einen Effektivstrom Ieff(t) ermittelt hat, der einen im Speicher 24 gespeicherten Schwellwert S unterschreitet. Demgegenüber schaltet der Trigger 34, wenn die von der Recheneinheit 22 ermittelte Toleranz Delta, die der Differenz aus dem Mittelwert M(Ieff(t)) des Effektivstromes Ieff innerhalb der Zeitdauer dt und dem Schwellwert S entspricht, kleiner als ein im Speicher 26 gespeicherter Schwellwert Epsilon ist. Der Trigger 36 wiederum spricht an für den Fall, daß die Recheneinheit 22 eine Anzahl n von Unterschreitungen des Schwellwertes S durch den Effektivstrom Ieff(t) ausgibt, die über einem im Speicher 28 gespeicherten Schwellwert Z liegt. Der Trigger 38 wird aktiviert, wenn die von der Recheneinheit 22 ermittelte Zeit dtu zwischen zwei Unterschreitungen des Schwellwertes S durch den Effektivstrom Ieff einen im Speicher 30 gespeicherten Schwellwert dts unterschreitet.The trigger 32 responds when the computing unit 22 has determined an effective current I eff (t) that falls below a threshold value S stored in the memory 24 . In contrast, the trigger 34 switches when the tolerance delta determined by the computing unit 22 , which corresponds to the difference between the mean value M (I eff (t)) of the effective current I eff within the time period dt and the threshold value S, is smaller than one in the memory 26 saved threshold value is epsilon. The trigger 36 in turn responds in the event that the computing unit 22 outputs a number n of undershoots of the threshold value S by the effective current I eff (t), which is above a threshold value Z stored in the memory 28 . The trigger 38 is activated when the time dtu determined by the computing unit 22 between two undershoots of the threshold value S by the effective current I eff falls below a threshold value dts stored in the memory 30 .

Die Logik 40, welche durch die Recheneinheit 22 einstellbar sein kann, legt fest, bei welcher Kombination geschalteter Trigger ein Steuersignal zur Beeinflussung des in den Induktor eingespeisten Stromes I(t), zur Einleitung des Umformvorganges oder zur Auslösung der Handhabung des Werkstückes ausgegeben wird.The logic 40 , which can be adjustable by the computing unit 22 , determines the combination of switched triggers which is used to output a control signal for influencing the current I (t) fed into the inductor, for initiating the forming process or for triggering the handling of the workpiece.

Die Wirkungsweise ist folgende:The mode of action is as follows:

Beabsichtigt man, eine Serie neuer Werkstücke mittels Thixoformings herzustellen, wird zunächst durch Versuche ermittelt, bei welchem Effektivstrom Ieff (t) sich das gewünschte Verhältnis von fester zu flüssiger Phase einstellt. Dann speichert man diesen Effektivstrom als Schwellwert S im Speicher 24 ab und stellt die Logik 40 im einfachsten Falle derart ein, daß ein Schalten des Triggers 32 zur Auslösung eines Steuersignals führt.If you intend to produce a series of new workpieces using thixoforming, the first step is to determine at which effective current I eff (t) the desired ratio of solid to liquid phase is obtained. This effective current is then stored as a threshold value S in the memory 24 and, in the simplest case, the logic 40 is set such that switching the trigger 32 leads to the triggering of a control signal.

Je nach Ausbildung, und Werkstoff des Werkstückes kann es, jedoch erforderlich sein, die Auslösung des Steuersignals von weiteren Überwachungsbedingungen abhängig zu machen. In diesem Falle muß durch Versuche zusätzlich ermittelt werden, bei welcher Toleranz, bei welcher Anzahl von Unterschreitungen des Schwellwertes S und/oder bei welcher Zeit zwischen den entsprechenden Unterschreitungen des Schwellwertes S sich der gewünschte teilfüssige Gefügezustand einstellt. Danach speichert man die ermittelte Toleranz im Speicher 26 als Schwellwert Epsilon, die ermittelte Anzahl Unterschreitungen im Speicher 28 als Schwellwert Z und die ermittelte Zeit zwischen den Unterschreitungen im Speicher 30 als Schwellwert dts ab. Außerdem wird die Logik 40 auf eine andere Kombination signalauslösender Trigger eingestellt, beispielsweise derart, daß ein Steuersignal nur dann ausgelöst wird, wenn alle Trigger geschaltet haben.Depending on the design and the material of the workpiece, it may, however, be necessary to make the triggering of the control signal dependent on further monitoring conditions. In this case, tests must also be carried out to determine the tolerance, the number of times the threshold value S is undershot and / or the time between the corresponding undershoot of the threshold value S, the desired partial-footed structural state. Then the determined tolerance is stored in the memory 26 as the threshold value epsilon, the determined number of undershoots in the memory 28 as the threshold value Z and the determined time between the undershoots in the memory 30 as the threshold value dts. In addition, the logic 40 is set to another combination of signal-triggering triggers, for example in such a way that a control signal is only triggered when all triggers have switched.

Nach diesen Vorbereitungen erfolgt die Serienfertigung, indem der in die Induktionsspule induzierte Wechselstrom I(t) mittels Strommeßzange berührungslos erfaßt und zu den zu überwachenden Größen verrechnet wird, wobei die Logik 40 bei Erreichen der Überwachungsbedingungen ein Steuersignal ausgibt, das die Erwärmungsleistung über die Frequenz oder die Impulsbreite der Wechselspannung U(t) beeinflußt, den. Strom I(t) abschaltet und/oder die Umformung des Werkstückes bzw. dessen Handhabung einleitet. Eine Frequenzänderung bewirkt dabei insbesondere eine Änderung der Eindringtiefe.After these preparations, series production takes place in that the alternating current I (t) induced in the induction coil is detected contactlessly by means of a current measuring clamp and is calculated into the quantities to be monitored, the logic 40 emitting a control signal when the monitoring conditions are reached, which indicates the heating power via the frequency or affects the pulse width of the AC voltage U (t). Current I (t) switches off and / or initiates the forming of the workpiece or its handling. A change in frequency causes in particular a change in the penetration depth.

Fig. 3 gibt den ermittelten Verlauf des Effektivstromes über der Temperatur bei Rohteilen aus ALSi7Mg mit Durchmessern von 59 mm und Längen von 24,5 mm schematisch wieder. Sie zeigt deutlich die relative Konstanz des Effektivstromes in der gerade noch festen Phase und dessen Abfall beim Eintritt in die teilflüssige Phase. Fig. 3 shows the calculated layout of the rms current through the temperature at blanks from AlSi7Mg with diameters of 59 mm and lengths of 24.5 mm schematically. It clearly shows the relative constancy of the effective current in the just solid phase and its drop when entering the partially liquid phase.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde die Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken auf das berührungslose Messen des Betrages einer einzigen elektrischen Größe reduziert, woraus bei geringer Temperaturbelastung hohe Genauigkeiten der Prozeßführung resultieren.With the present invention, the determination of the partially fluid structure during inductive heating of Workpieces on the contactless measurement of the amount of one single electrical size reduced, resulting in less High accuracy of process control result.

Claims (18)

1. Verfahren zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken, wobei Prozeßgrößen des Erwärmungsvorganges in bezug auf vorbestimmte Referenzgrößen überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert (Ieff(t)) eines in die Induktionsspule (8) eingespeisten Wechselstromes (I(t)) auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten ersten Schwellwertes (S), der als Effektivwert einen vorbestimmten teilflüssigen Gefügezustand des Werkstückes (10) repräsentiert, überwacht wird.1. A method for determining the partially fluid structure during inductive heating of workpieces, process variables of the heating process being monitored in relation to predetermined reference variables, characterized in that the effective value (I eff (t)) of an alternating current (I) fed into the induction coil ( 8 ) (t)) is monitored for falling below an empirically determined first threshold value (S), which as an effective value represents a predetermined partially fluid structural state of the workpiece ( 10 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung des ersten Schwellwerts (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) eine Toleranz (Delta), die der Differenz aus dem Mittelwert (M(Ieff(t)) des Effektivwertes (Ieff(t)) für einen Zeitraum (dt) einerseits und dem ersten Schwellwert (S) andererseits entspricht, auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten zweiten Schwellwertes (Epsilon), der als Toleranz einen vorbestimmten teilflüssigen Gefügezustand des Werkstückes (10) repräsentiert, überwacht wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that when the first threshold value (S) is undershot by the effective value (I eff (t)), a tolerance (delta) which is the difference from the mean value (M (I eff (t)) of the effective value (I eff (t)) for a period (dt) on the one hand and the first threshold value (S) on the other hand, if the value falls below an empirically determined second threshold value (epsilon), which represents a predetermined partially fluid structural state of the workpiece ( 10 ) as tolerance , is monitored. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) die Anzahl (n) nachfolgender Unterschreitungen des ersten Schwellwertes (S) auf Überschreitung eines empirisch ermittelten dritten Schwellwertes (Z), der als Anzahl einen vorbestimmten teilflüssigen Gefügezustand des Werkstückes (10) repräsentiert, überwacht wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when falling below the first threshold (S) by the effective value (I eff (t)) the number (n) of falling below the first threshold (S) to exceed an empirically determined third Threshold value (Z), the number of which represents a predetermined partially fluid structural state of the workpiece ( 10 ), is monitored. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) die Zeit (dtu) bis zur nächsten Unterschreitung des ersten Schwellwertes (S) auf Unterschreitung eines empirisch ermittelten vierten Schwellwertes (dts), der als Zeit einen vorbestimmten teilflüssigen Gefügezustand des Werkstückes (10) repräsentiert, überwacht wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that when the first threshold value (S) is undershot by the effective value (I eff (t)), the time (dtu) until the next threshold value (S) is undershot Falling below an empirically determined fourth threshold value (dts), which represents a predetermined partially fluid structural state of the workpiece ( 10 ) as time. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes (S) und/oder bei Unterschreitung des zweiten Schwellwertes (Epsilon) und/oder bei Überschreitung des dritten Schwellwertes (Z) und/oder bei Unterschreitung des vierten Schwellwertes (dts) die induktive Erwärmung auf vorbestimmte Weise verändert oder abgebrochen wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that when falling below the first Threshold (S) and / or if the value falls below the second Threshold value (epsilon) and / or if the third threshold value (Z) and / or if the value falls below the fourth threshold value (dts) on inductive heating predetermined way is changed or canceled.   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Erwärmung durch Änderung der Frequenz und/oder der Impulsbreite einer den Wechselstrom (I(t)) erzwingenden Wechselspannung (U(t)) verändert wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the inductive heating by changing the frequency and / or the Pulse width of one that forces the alternating current (I (t)) AC voltage (U (t)) is changed. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung (U(t)) rechteckförmig ist.7. The method according to claim 6, characterized in that the AC voltage (U (t)) is rectangular. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung des ersten Schwellwertes (S) und/oder bei Unterschreitung des zweiten Schwellwertes (Epsilon) und/oder bei Überschreitung des dritten Schwellwertes (Z) und/oder bei Unterschreitung des vierten Schwellwertes (dts) das Werkstück (10) umgeformt oder einer Umformeinrichtung zugeführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that when the first threshold value (S) is undershot and / or when the second threshold value (epsilon) is undershot and / or when the third threshold value (Z) and / or is exceeded If the fourth threshold value (dts) is undershot, the workpiece ( 10 ) is formed or fed to a forming device. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert (Ieff(t)) aus einem mittels Strommeßzange (12) gewandelten Stromverlauf ermittelt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the effective value (I eff (t)) is determined from a current profile converted by means of a current clamp ( 12 ). 10. Vorrichtung zur Ermittlung des teilflüssigen Gefügezustands beim induktiven Erwärmen von Werkstücken, mit einer Induktionsspule (8), einer die Induktionsspule (8) speisenden Wechselstromquelle (4), einem Stromwandler (12) zur Wandlung des eingespeisten Wechselstromes I(t) und einer Einrichtung (14) zur Generierung von Steuerdaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Generierung von Steuerdaten
eine Recheneinrichtung (22), die in Echtzeit aus dem gewandelten Stromverlauf den Effektivwert (Ieff(t)) des eingespeisten Wechselstromes I(t) bildet,
einen ersten Speicher (24), der empirisch ermittelte Effektivwerte, die vorbestimmte Gefügezustände des Werkstückes repräsentieren, als erste Schwellwerte (S) speichert, und
einen ersten Trigger (32), der bei Unterschreitung eines vorbestimmten ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) ein erstes Steuersignal auslöst,
aufweist.10.Device for determining the partially fluid structure during inductive heating of workpieces, with an induction coil ( 8 ), an alternating current source ( 4 ) feeding the induction coil ( 8 ), a current transformer ( 12 ) for converting the fed alternating current I (t) and a device ( 14 ) for generating control data, characterized in that the device for generating control data
a computing device ( 22 ) which in real time forms the effective value (I eff (t)) of the alternating current I (t) fed in from the converted current profile,
a first memory ( 24 ) which stores empirically determined effective values, which represent predetermined structural states of the workpiece, as first threshold values (S), and
a first trigger ( 32 ) which triggers a first control signal when the effective value (I eff (t)) falls below a predetermined first threshold value (S),
having. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Generierung von Steuerdaten
eine Recheneinrichtung (22), die in Echtzeit aus der Differenz aus dem Mittelwert (M(Ieff(t)) des Effektivwertes (Ieff(t)) über einen vorbestimmten Zeitraum (dt) einerseits und dem ersten Schwellwert (S) andererseits eine Toleranz (Delta) bildet,
einen zweiten Speicher (26), der empirisch ermittelte Toleranzen als zweite Schwellwerte (Epsilon) speichert, und
einen zweiten Trigger (34), der bei Unterschreitung des zweiten Schwellwertes (Epsilon) durch die Toleranz (Delta) ein zweites Steuersignal auslöst,
aufweist.11. The device according to claim 10, characterized in that the device ( 14 ) for generating control data
a computing device ( 22 ) which in real time from the difference from the mean (M (I eff (t)) of the effective value (I eff (t)) over a predetermined period (dt) on the one hand and the first threshold value (S) on the other Tolerance (delta) forms,
a second memory ( 26 ) which stores empirically determined tolerances as second threshold values (epsilon), and
a second trigger ( 34 ) which triggers a second control signal when the tolerance (delta) falls below the second threshold value (epsilon),
having. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Generierung von Steuerdaten
eine Recheneinrichtung (22), die in Echtzeit die Anzahl (n) von Unterschreitungen des ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) ermittelt,
einen dritten Speicher (28), der empirisch ermittelte Anzahlen von Unterschreitungen des ersten Schwellwertes (S) als dritte Schwellwerte (Z) speichert, und
einen dritten Trigger (36), der bei Überschreitung des dritten Schwellwertes (z) durch die Anzahl (n) ein drittes Steuersignal auslöst,
aufweist.12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that the device ( 14 ) for generating control data
a computing device ( 22 ) which determines in real time the number (n) of the first threshold value (S) being undershot by the effective value (I eff (t)),
a third memory ( 28 ) which stores empirically determined numbers of undershoots of the first threshold value (S) as third threshold values (Z), and
a third trigger ( 36 ) which, when the third threshold value (z) is exceeded by the number (n), triggers a third control signal,
having. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Generierung von Steuerdaten
eine Recheneinrichtung (22), die die Zeit (dtu) zwischen zwei Unterschreitungen des ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) ermittelt,
einen vierten Speicher (30), der empirisch ermittelte Zeiten zwischen Unterschreitungen des ersten Schwellwertes (S) durch den Effektivwert (Ieff(t)) als vierte Schwellwerte (dts) speichert, und
einen vierten Trigger (38), der bei Unterschreitung des vierten Schwellwertes (dts) durch die Zeit (dtu) ein viertes Steuersignal auslöst,
aufweist.13. The device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the device ( 14 ) for generating control data
a computing device ( 22 ) which determines the time (dtu) between two undershoots of the first threshold value (S) by the effective value (I eff (t)),
a fourth memory ( 30 ) which stores empirically determined times between undershoots of the first threshold value (S) by the effective value (I eff (t)) as fourth threshold values (dts), and
a fourth trigger ( 38 ) which triggers a fourth control signal when the time falls below the fourth threshold (dts) (dtu),
having. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Generierung von Steuerdaten eine Logik (40) aufweist, die bei vorbestimmten Kombinationen des ersten bis vierten Steuersignals ein fünftes Steuersignal auslöst.14. Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the device ( 14 ) for generating control data has a logic ( 40 ) which triggers a fifth control signal when predetermined combinations of the first to fourth control signals. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem der ersten bis fünften Steuersignale der eingespeiste Wechselstrom (I(t)) beeinflußbar und/oder die Handhabung des Werkstückes (10) auslösbar ist. 15. The device according to one of claims 10 to 14, characterized in that with one of the first to fifth control signals, the fed alternating current (I (t)) can be influenced and / or the handling of the workpiece ( 10 ) can be triggered. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom (I(t)) über einen MF-Transformator (6) in die Induktionsspule (8) einspeisbar ist.16. The device according to one of claims 10 to 15, characterized in that the alternating current (I (t)) via an MF transformer ( 6 ) in the induction coil ( 8 ) can be fed. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom (I(t)) auf der Primär- oder Sekundärseite des MF-Transformators (6) mittels Strommeßzange (12) wandelbar ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the alternating current (I (t)) on the primary or secondary side of the MF transformer ( 6 ) by means of current clamp ( 12 ) is convertible. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom (I(t)) durch eine Reihenschaltung eines Netzgleichrichters (16), eines Gleichspannungszwischenkreises (18) und eines Wechselrichters (20) erzeugbar ist.18. Device according to one of claims 10 to 17, characterized in that the alternating current (I (t)) can be generated by a series connection of a mains rectifier ( 16 ), a DC voltage intermediate circuit ( 18 ) and an inverter ( 20 ).
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