4 Prozessoptimierung 27

Transkript

1 4 Prozessoptimierung 27 4 Prozessoptimierung 4.1 Erste Optimierung der AWA- 353 Ausgehend von der Iststand- Analyse gemäß Kapitel 3 wurden Schweiß- und Gegenelektrode firmenintern neu ausgelegt sowie die Elektrodenkraft optimiert Verbesserung der Schweißelektrode Abb. 4-1 Alte Schweißelektrode (siehe Anhang A S.75) Abb. 4-2 Neu konzipierte Schweißelektrode (siehe Anhang A S.76) Der Elektrodenwerkstoff (Wolfram) blieb unverändert. Die neue Schweißelektrode erhielt einen größeren Querschnitt und eine optimierte Form. Der Rechteckquerschnitt von 3 x 4 mm wurde in einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 6,3 mm geändert. Über den größeren Querschnitt kann die Elektrode mehr Wärme vom Bauteil abführen, was eine geringere thermische Belastung des Bauteils bedeutet. Auch die Belastung der Elektrode selbst wird dadurch herabgesetzt, was zu höheren Standzeiten und damit Kosteneinsparungen führt. Um die gute Zugängigkeit der dickeren Elektrode zum Bauteil zu gewährleisten und Beschädigungen an der Wicklung zu vermeiden, wurde die Elektrode zum Läuferpaket hin ausgeschliffen. Damit die Gegenelektrode möglichst nahe neben der Schweißelektrode kontaktieren kann, wurde die Schweißelektrode auf dieser Seite abgeflacht.

2 4 Prozessoptimierung Verbesserung der Gegenelektrode Der Elektrodenwerkstoff (Hovadur) blieb unverändert. Damit die Gegenelektrode (siehe Anhang A S.77) flächig die Lamelle kontaktiert, erhielt sie an der Kontaktfläche einen Einschliff entsprechend der Lamellenkontur. Abb. 4-3 Einschliff an der Kontaktelektrode Abb. 4-4 Flächige Kontaktierung auf der Lamelle Optimierung der Elektrodenkraft Wie in der Iststand- Analyse festgestellt, führen Verschmutzungen und mangelnde Schmierung der Bewegungsmechanik zu Schwergängigkeit und haben damit einen großen Einfluss auf die Elektrodenkraft. Eine regelmäßige Reinigung der bewegten Teile sollte in die Arbeitsunterweisung aufgenommen werden. Wichtig ist auch die regelmäßige Kalibrierung der Kraftmessdosen. Nicht kalibrierte Kraftmessdosen führen zu einer Erhöhung des Schweißdrucks und in der Folge zu einer übermäßigen Schweißkraft. Nur kalibrierte Kraftmessdosen garantieren in beiden Schweißköpfen gleiche Schweißkräfte. Zum Kalibrieren der Kraftmessdosen, wird der abgelesene Druck- Sollwert am Proportionalventil mit dem vorgegebenen Kraftwert verglichen. Die Pneumatik ist dabei abgeschaltet. Zur Druckvorgabe wird die Kraftmessdose mit einer Masse von zwei Kilogramm statisch belastet.

3 4 Prozessoptimierung 29 Die getrennte Gegendruckregelung wurde durch einen, für beide Pneumatikzylinder gemeinsamen, Feindruckregler ersetzt. Damit konnte die Synchronität zwischen linkem und rechtem Schweißkopf deutlich verbessert werden (Abb. 4-5 und 4-6). Abb. 4-5 Linker Schweißkopf Elektrodenkraft Schweißspannung Abb. 4-6 Rechter Schweißkopf Elektrodenkraft Schweißspannung Im Vergleich zu den Messungen in Abbildung 3-7 treten deutlich kleinere Kraftspitzen auf. Dadurch wird der Einschwingvorgang verkürzt. In Verbindung mit der Programmierung eines geeigneten Zeitfensters für die Kraftabfrage kann der Schweißstrom, abgestimmt auf den eingeschwungenen Zustand, zugeschaltet werden. Das ist Vorraussetzung für konstante Schweißergebnisse über die Zeit Volumenspeicher Um die Kraftamplitude der beiden Schweißköpfe weiter zu beruhigen, wurde ein Volumendruckspeicher zum Aufbau des Gegendrucks in die Pneumatik eingebunden. Damit sollte die Druckkonstanz erhöht werden. Eine erneute Kraftaufzeichnung zeigte, dass der Volumenspeicher nur unwesentliche Verbesserungen brachte Optimierung der Bedienung In der Arbeitsunterweisung wird festgelegt, dass der pneumatische Gegendruck fest auf 1,5 bar eingestellt bleibt.

4 4 Prozessoptimierung 30 Vom Bedienpersonal wird nur noch der Sollwert für den Anpressdruck eingestellt, der über das Proportionalventil auf den Zylinder übertragen wird. Die Reduzierung der durch das Bedienpersonal einstellbaren Prozessparameter minimiert Fehleingaben. Des Weiteren wurde die Steuerung dahingehend konfiguriert, dass der Anpressdruck analog dem Gegendruck in Bar und nicht wie bisher der Anpressdruck in Newton und der Gegendruck in Bar dargestellt wird. Dadurch kann der Zusammenhang Anpressdruck- Gegendruck- Schweißkraft besser verdeutlicht werden. Abbildung 4-7 stellt den Zusammenhang zwischen Anpressdruck, Spannung am Proportionalventil und resultierender Kraft bei konstantem Gegendruck dar. Die Übersicht soll dazu beitragen, dem Bedienpersonal die Zusammenhänge zu verdeutlichen und eine Orientierung für die Parametereinstellung zu geben. Proportionalventil Schweißkraft F S in [N] in Abhängigkeit vom Gegendruck Anpressdruck [bar] Spannung [V] bei 0 bar bei 1 bar bei 1,5 bar bei 2 bar 0,00 0,00 x x x x 0,25 0,42 56 x x x 0,50 0, x x x 0,75 1, x x x 1,00 1, x x 1,25 2, x x 1,50 2, x 1,75 2, x 2,00 3, ,25 3, ,50 4, ,75 4, ,00 5, ,25 5, ,50 5, ,75 6, ,00 6, ,25 7, ,50 7, ,75 7, ,00 8, ,25 8, ,50 9, ,75 9, Abb. 4-7 Übersicht: Elektrodenkraft in Abhängigkeit von Anpress- und Gegendruck

5 4 Prozessoptimierung 31 Den berechneten Werten F S liegt folgende Gleichung zugrunde (Vergl. Gl. 2.3) Gl. 4.1 Durch einsetzen der Faktoren aus der Serienfertigung folgt daraus: Gl Laborversuche mit Unterstützung der Firma Miyachi Im Zusammenhang mit Recherchen zur Modernisierung der vorhandenen Schweißmaschine wurde Kontakt zu Herstellern von Schweißkomponenten aufgenommen. Gespräche wurden mit den Firmen Miyachi und Matuschek geführt. Die Firma Miyachi bot Unterstützung bei einer weiteren Optimierung des Schweißprozesses an. Im Miyachi- Labor wurden umfangreiche Versuche durchgeführt. Dabei war zu klären, ob neue Technik (Schweißsteuerung, Schweißkopf) zur weiteren Verbesserung der Hakenkollektorschweißung beitragen kann Versuchsobjekt Dem Laborversuch lag der EMAGR- Serienläufer als Versuchsobjekt zu Grunde. Läufertyp: EMAGR (siehe Anhang B S.82) Kommutator (siehe Anhang B S.83) Cu Lack-Draht Ø 0,25 mm (siehe Anhang B S.84) Gerätetechnik Für die Versuche kamen eine neuartige Steuerung / Stromquelle ISQ20-6K und ein modifizierter Schweißkopf vom Typ FDP 190 zum Einsatz. Für die Messung der schweißrelevanten Parameter wurde zusätzlich zur Steuerung ein Messgerät MG3 W1 verwendet.

6 4 Prozessoptimierung Versuchsaufbau Der Schweißkopf wurde auf einer Spannplatte aufgebaut. Für Schweiß- und Kontaktelektrode kamen Pneumatikzylinder mit Federsystem zur Anwendung. Durch unterschiedliche Ferdervorspannungen werden verschiedenen Kraftbereiche realisiert, so dass bei gleicher Druckbeaufschlagung die Kontaktkraft größer ist als die Schweißkraft. Der Schweißdruck von 4,0 bar entspricht an dem Schweißzylinder einer Schweißkraft von 280 N, an der Kontaktelektrode ergibt sich durch den anderen Zylinder eine Kraft von 467 N. Die Erhöhung der Kontaktkraft vermindert den Übergangswiderstand und verbessert den Wärmeabfluss über die Kontaktelektrode. Die Schweißkraft wird durch den Deformationsgrad des Kollektorhakens begrenzt. Schweißelektrode EMAGR- Läufer Gegenelektrode Abb. 4-8 Versuchsaufbau Nahaufnahme Steuerung/Stromquelle Doppelschweißkopf (ISQ20-6K) (FDP 190) Spannplatte Abb. 4-9 Versuchsaufbau Laborversuch - Schweißelektrode WL, plan, 0, Polarität + (siehe Anhang A S.78) - Kontaktelektrode CuCr, plan, Polarität (siehe Anhang A S.79)

7 4 Prozessoptimierung Versuchsdurchführung und -ergebnisse Zunächst wurden, entsprechend der aktuellen Schweißtechnologie, zwei Schweißimpulse (erster Impuls: Abisolierung, zweiter Impuls: Schweißung) generiert. In umfangreichen Versuchsreihen wurden Impulsdauer, Impulsform und Impulsamplitude variiert, mit dem Ziel, die Wärmeeinbringung in das Bauteil zu minimieren. Bei allen Variationen kam es zur thermischen Überlastung der Pressmasse im Bereich des Lamellenfußes. Eine Pausenzeit war aufgrund der vorgegebenen Taktzeit nicht realisierbar. Daraus resultierend wurden Versuche mit nur einem Schweißimpuls gefahren. Im Resultat zeigte sich, dass damit gute Schweißergebnisse zu erzielen waren (siehe ). Bei optimaler Impulsamplitude in Verbindung mit den entsprechenden Anstiegs- und Abfallzeiten konnte die Wärmemenge so dosiert werden, dass einerseits der Kupferlackdraht ausreichend abisoliert wurde und andererseits der Wärmeeintrag nicht zur thermischen Schädigung der Pressmasse führte. Außerdem konnte der Schweißzyklus von 1000 ms auf 600 ms verkürzt werden (siehe 2.1.1). Die optimierten Parameter sind in Übersicht 4-10 dargestellt. Schweißkopf einseitig Lamelle ISQ20-6K Programmvorwahl 1 Schließzeit 200 ms Vorhaltezeit 100 ms Stromanstiegszeit 1 25 ms Schweißzeit 1 5 ms Stromabfallzeit1 50 ms Schweißstrom A Pausenzeit 3 ms Stromanstiegszeit 2 0 ms Schweißzeit 2 0 ms Stromabfallzeit2 0 ms Schweißstrom 2 0 A Nachhaltezeit 20 ms Auszeit 0 Impulswiederholung 1 Anpresskraft /- druck 4 bar ohne wegabhängige Stromabschaltung Abb Optimierte Parameter unter Laborbedingungen

8 4 Prozessoptimierung 34 Der grafische Verlauf des Schweißzykluses mit den Parametern aus Abbildung 4-10: Abb Grafik nach dem Stromverlauf skaliert Abb Grafik nach der Leistung skaliert Einsinkweg (Elektrodenbewegung durch die Erweichung des Werkstoffes während der Schweißung) Schweißstrom Schweißleistung Testkriterien Um im Ergebnis eine qualitätsgerechte Schweißung zu erhalten, müssen die in Abbildung 4-13 aufgeführten Testkriterien eingehalten werden. Kriterien für Test bestanden elektrisch gut keine thermische Überhitzung Lamellenfuß keine thermische Überhitzung Pressmasse hohe Festigkeit der Lamelle nach Fügeprozess Haken gut verschweißt Isolierung des Lackdrahtes ausreichend abgebrannt Erklärung Übergangswiderstand 2mΩ Pressmassenreste an Lamellenverankerung keine verkohlte Lamellenbruchfläche Lamellenfestigkeit > 100 N Aufbiegen des Hakens mittels Seitenschneider akustisches Knackgeräusch blanker Draht am Hakenfuß Abb Übersicht Testkriterien für eine qualitativ gute Schweißung

9 4 Prozessoptimierung Versuchsergebnisse Abb Sauber verschweißter Haken Abb Ausreichende Abisolierung (Ansicht bei aufgebogenem Haken) Abb Keine therm. Überlastung Pressmasse (Ansicht bei ausgerissener Lamelle) Kraft in [N] 103 N Weg in [mm] Abb Sehr gute Lamellenfestigkeit (Vergl. Abb. 3-11) Die Testergebnisse wurden durch weitere 300 Versuchsschweißungen bestätigt.

10 4 Prozessoptimierung Zweite Optimierung der AWA- 353 Die Testergebnisse der Laborversuche bei Miyachi führten zur Entscheidung, die AWA- 353 mit einer neuen Steuerung / Stromquelle ISQ20-6K einschließlich Messgerät MG3 W1 und einem modifizierten Schweißkopf vom Typ FDP 190 umzurüsten. Auf Basis von Empfehlungen der Fachleute von Miyachi, wurden die Schweißparameter auf der alten Steuerung (IS- 427A) weiter modifiziert, um den Schweißprozess in der Produktion bis zur Lieferung der neuen Komponenten (5 Monate Lieferzeit) zu stabilisieren. Eine Übernahme der Parameter aus Abbildung 4-10 auf die Steuerung IS- 427A war nicht möglich. Lediglich die Elektrodenkraft und die Schweißleistung wurden verändert. Schweißkopf rechts links Lamelle Schweißleistung 1 2,15 (1,80) 2,05 (1,50) 2,2 (1,80) 2,1 (1,60) KW Schweißleistung 2 2,05 (1,40) 1,95 (1,30) 2,1 (1,4) 2,0 (1,20) KW Anpressdruck 2,3 (300N) bar Gegendruck 1,5 (2,3 bar) bar Abb Übersicht programmierter Schweißparameter der Steuerung IS- 427A vor ( in Klammern) und nach der Optimierung

11 4 Prozessoptimierung Ergebnisse der Prozessoptimierung HT- Auswertung nach der Optimierung Ausschuß [%] HT-Verlauf [%] Mittelwert der Ausschussdaten: 0,7% 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Datum 2008 Abb Ausschussquote durch Schweißfehler (HT) Stand Mai- November 2008 Die HT- Auswertung zeigt eine signifikante Reduzierung der Ausschussquote von 2,1% (Abb. 3-13) auf 0,7 %. Die Parameteroptimierung konnte Anlauffarben im Bereich der Schweißstelle als Zeichen von überhitzter Pressmasse vermindern, aber nicht vermeiden. Die Messung der Lamellenfestigkeit (siehe 4.4.2) untermauert diese Tatsache.

12 4 Prozessoptimierung Lamellenfestigkeit nach der Optimierung Kraft in [N] 82 N Weg in [mm] Abb Kraft- Weg- Diagramm gemessen an Bauteilen nach der Optimierung Lamellenfestigkeit vor der Optimierung: < 70 N (Abb. 3-11) Lamellenfestigkeit nach der Optimierung: ca. 80 N (Abb. 4-20) Optimale Lamellenfestigkeit (Laborversuch Miyachi): > 100 N (Abb. 4-17)