Rollenrichtprozess und Peripherie

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1 Rollenichtpozess und Peipheie Macus Paech Die Hestellung von qualitativ hochwetigen Dahtpodukten efodet definiete Eigenschaften des Dahtes, die duch einen Richtvogang eingestellt weden können. Um den Richtpozess zu optimieen, muss das Richtgut und seine Hestellungsgeschichte analysiet weden. Diese Aufsatz bescheibt Analysemöglichkeiten und Vogehensweisen, um den Richtpozess so anzuwenden, dass anschließend eine definiete Dahtqualität voliegt. Neben dem Abspulen, Fühen, Tanspotieen und Ve- bzw. Beabeiten von einem ode meheen dahtfömigen Pozessmateialien fistet de Rollenichtpozess oft ein Schattendasein (Bild 1). Zunehmend zeigt sich jedoch, dass seine Gestaltung und optimalen Integation eine wichtige Bedeutung zukommt. Zu de klassischen Aufgabe ein geades ode definiet gekümmtes Pozessmateial zu ezeugen teten Zielsetzungen wie die Identifikation von Eigenschaften des Pozessmateials sowie die Einstellung eine deteieten Wekstoffchaakteistik hinzu. Identifiziete Daten ode spezifisch eingestellte Eigenschaften sind dann bei de Optimieung nachfolgende Ve- und Beabeitungspozesse nutzba. Hängt die Gestaltung eines Richtpozesses voangig von den Dahteigenschaften wie Geometie des Queschnitts, Dehngenze, Elastizitätsmodul, Ausgangskümmung sowie Helix ab [1, 2], so folgt die Integation in eine Fetigungslinie in Abhängigkeit de Peipheie bzw. de vo- und nachgelageten Pozesse, Maschinen und Einichtungen. Ansätze und este Voschläge zu Integation finden sich beeits in [3], die aufgegiffen und mit de Zielsetzung, eine hohe Fetigpoduktqualität am Ende eine technologischen Linie zu eeichen, weiteentwickelt weden. Besondee Beücksichtigung findet dabei eine ganzheitliche Denk- und Handlungsweise, die auch eine Identifikation mit einschließt. Identifikation de Richtguthestellung Die Bestimmung de Richtguthestellung beücksichtigt die Emittlung und Identifikation de Pozesse, die an de Richtguthestellung beteiligt sind. Dabei ist eine Beschänkung auf ein Maß sinnvoll, das insbesondee diejenigen Vefomungspozesse einbezieht, die dem Richtpozess vogeodnet sind. Dazu gehöen z. B. das Walzen, Ziehen, Aufspulen, Abspulen sowie Umlenken. Jede Pozess fü sich beeinflusst das Pozessmateial auf die ihm eigene und spezifische At und Weise, was sich letztendlich in den Spannungen, die innehalb des Richtguts entstehen bzw. vebleiben, ausdückt. Die At de unte Last entstehenden Spannung wid nach de At de Belastung chaakteisiet. So folgen z. B. aus Zugkäften (Ziehen, Aufspulen, Abspulen) Zugspannungen und aus Biegekäften (Umlenken) Biegespannungen. Bild 2 dokumentiet exemplaisch eine idealisiete Dehnungsund Spannungsveteilung bei de Biegung eines Pozessmateials. Gundsätzlich sollten die jeweils an de Hestellung des Richtguts beteiligten Pozesse kitisch betachtet weden. Wid davon ausgegangen, dass sie geeignet sind, müssen Aspekte wie de Umfomgad, Vefomungen, die Wekzeuggeometie und auch die Wekstoffgüte diskutiet und gegebenenfalls eine Modifikation untezogen weden. Ein Nachdenken und die Umsetzung de gewonnenen Ekenntnisse sind in de Regel peiswete, als die Auseinandesetzung mit nicht gewünschten Folgen an nachgeodnete Stelle. Oft genügt beeits eine Betachtung de stattfindenden Vefomungen Bild 1 Exemplaische Dahtveabeitung Bild 2 Idealisiete Dehnungs- und Spannungsveteilung bei de Biegung von Pozessmateial Bild 3 Identifikation de Übehöhung f übe die Messlänge l Bild 4 Gemessene Fomkuve y(x) und esultieende Kümmungsvelauf k(x) eines Dahtabschnittes 3/2001 DRAHT 47

2 Tabelle 1: Beispiele fü die Vemeidung von Fehlen wähend des Abspulens falsch ichtig wähend des Abspulens eines Pozessmateials. Nicht einheitliche Richtungsändeungen des Mateials, zudem mit zu geing im Duchmesse bemessenen Umlenkollen, fühen zu eine esultieenden Spannung im Pozessmateial, die nicht konstant und fü alle nachfolgenden Pozesse unvoteilhaft ist. Tabelle 1 vedeutlicht Beispiele fü Fehle wähend des Abspulens und gibt Anegungen, die eine konstanten und positiven Fetigpoduktqualität dienen. Neben de Realisieung eine Umlenkichtung konfom zu pimäen Kümmung des Pozessmateials auf de Spule, ist die ichtige Bemessung des Umlenkollenduchmesses zu Sichestellung elastische Umlenkung von hohe Bedeutung. Seine Emittlung ist von den Paameten Kümmungsadius, Queschnittshöhe des Pozessmateials (bei Runddähten Dahtduchmesse d), Dehngenze R p und Elastizitätsmodul E abhängig. Die Gleichungen 1 und 2 dienen de Beechnung des imalen D sowie imalen Umlenkollenduchmesses D. d E D Gl. 1 2 d E 2 Rp D d E 2 d E 2 R Gl. 2 Identifikation des Richtguts und Anfodeungen an das Endpodukt Die Analyse des Richtguts und die Definition von Anfodeungen an das Endpodukt sind gleichzusetzen mit de Identifikation bzw. Festlegung von Eigenschaften des Pozessmateials vo und nach einem Richtpozess. Eine Chaakteisieung ist in Abhängigkeit zu den elevanten geometischen Paameten und den Wekstoffdaten efodelich. Die geometischen Paamete sind nachfolgend zusammengefasst: Queschnittsgeometie Kümmung bzw. Kümmungsadius Kümmungsbeeich Helix Eine Bestimmung de Queschnittsgeometie, z. B. des Dahtduchmesses, fällt in de Regel leicht. Aussagen zu den vebleibenden Paameten können oft nicht gemacht weden. Als Minimalfodeung fü die Gestaltung und Integation eines Richtpozesses gilt die Emittlung de Kümmung bzw. des Kümmungsadius in Bezug auf eine Dimension. Wid, wie in Bild 3 gezeigt, übe de Messlänge l die Übehöhung f des Pozessmateials gemessen, kann mit Gleichung 3 de Kümmungsadius p beechnet weden. Gleichung 3 dückt daübe hinaus aus, dass die Kümmung de ezipoke Wet des Kümmungsadius ist. 2 2 l f 1 4 Gl. 3 2 f Eine pimäen Kümmung mit dem Radius ist häufig eine sekundäe Kümmung kleineen Radius übelaget. Damit sind übe die Länge des Pozessmateials wechselnde Kümmungen vohanden, deen Bestimmung nu übe die exakte Efassung de Fomkuve des Pozessmateials und die Nutzung de Gleichung 4 gelingt. De Velauf de Kümmung übe die Länge x egibt sich bei Einbeziehung de 1. und 2. Ableitung de Fomkuve y(x). y''( x) ( x) Gl y'( x) Witels-Albet vefügt übe Messplätze, die eine automatisiete Messung von Fomkuven y(x) emöglichen. Bei Runddähten bis zu 3,0 mm Duchmesse wid beispielsweise die Bildveabeitung genutzt. Bild 4 epäsentiet die Fomkuve sowie den chaakteistischen Kümmungsvelauf (x) fü einen Dahtabschnitt. De Betag de Diffeenz zwischen de imalen Kümmung und de imalen Kümmung egibt den sogenannten Kümmungsbeeich, (Gleichung 5)., Gl. 5 Bild 5 Fuzzy-System zu Emittlung de efodelichen Anzahl von Richtollen n Ü: Rollen 25 Regeln Bild 6 Zugehöigkeitsfunktionen de Eingangsgöße Dehngenze Rp Ü: Kopfzeile Gafik: seh klein, klein, nomal goß, seh goß y-achse: Gad de Zugehöigkeit 48 DRAHT 3/2001

3 Bei eine Kümmung in de zweiten Dimension besitzt das Pozessmateial eine Helix, die in Anlehnung an eine Schaubenlinie duch einen Radius sowie eine Steigung P gekennzeichnet ist. Fü das Richten von Pozessmateialien sowie fü Pozesse, die dem Richtpozess nachgeodnet sind, inteessieen vozugsweise die Wekstoffdaten Elastizitätsmodul, Steck- bzw. Dehngenze, Zugfestigkeit, Vefestigungsmodul und Eigenspannungspotential. Bis auf das Eigenspannungspotential lassen sich alle genannten Daten in auseichende Genauigkeit z. B. mit Hilfe des Zugvesuchs gemäß DIN EN bestimmen. Zu bemeken ist, dass die Kenntnis de Zugfestigkeit fü die Gestaltung eines Richtpozesses von untegeodnete Bedeutung ist. Die Usache liegt in de fü die Eeichung eine bleibenden Fomändeung duch Richten notwendigen Voaussetzung, das Pozessmateial bei Beibehaltung de Queschnittsfläche elastisch-plastisch zu vefomen. Relevante Kennwet eine deatigen elastisch-plastischen Vefomung ist die Steckbzw. Dehngenze und nicht die Zugfestigkeit, da ab diesem Genzwet in de Regel die Vefomung von eine Veändeung de Queschnittsfläche begleitet wid, die zum Vesagen duch Buch füht. Das Eigenspannungspotential eines Pozessmateials steht in Beziehung zu äußeen Fom. Ohne das Wiken äußee Käfte und Momente besteht die Fomkuve eines Pozessmateials weite, da die Summe de eigenen Käfte und Momente unteeinande im Gleichgewicht ist. Änden sich Paamete wie die Kümmung ode die Helix übe die Länge des Pozessmateials, vaiieen auch die Eigenspannungen. Duch das Richten weden die Eigenspannungen veändet, wobei de im ungeichteten Pozessmateial vohandene Eigenspannungszustand schon nach wenigen elastisch-plastischen Vefomungen ausgelöscht ist [4]. Was die Identifikation von Eigenspannungen betifft, sind zueinande konkuieende Pinzipien nutzba. Leide liefen mechanische, öntgenogaphische, magnetische, Neutonenstahl- und Ultaschallvefahen im Vegleich quantitativ diffeenziete Egebnisse, so dass auf ein Vefahen zuückgegiffen weden sollte, um qualitative Aussagen abzuleiten. Gestaltung des Richtpozesses Die Gestaltung des Richtpozesses dückt sich im jeweiligen Richtsystem aus, das als eine Kombination von Richtappaaten definiet ist, die in Anpassung an die wechselnden Eigenschaften des einlaufenden Pozessmateials konstante Eigenschaften ezeugen. Jede Richtappaat wie auch jedes Richtsystem vefügt übe einen spezifischen Richtbeeich, de duch die Teilung (Abstand zwischen den Richtollen) und den Duchmesse de Richtollen vogeschieben wid. In Anpassung an diese Daten besitzt de Richtbeeich, eine zulässige Genze fü die imal und die imal zu ichtende Queschnittsabmessung des Pozessmateials. Fü Runddähte sind de imale Dahtduchmess- e d und de imale Dahtduchmesse d elevant (Gleichung 6). d, Gl. 6 d Ist unte Beücksichtigung de Abmessungen des Pozessmateials de Richtbeeich festgelegt, gilt es, eine Entscheidung zu Anzahl de Richtollen zu teffen. Beeits in [2] wude vesucht, in Abhängigkeit des Kümmungsbeeiches, und des Beeiches de Dehngenze,R p eines Pozessmateials eine Empfehlung zu Beechnung de efodelichen Rollenanzahl fü einen Richtappaat zu geben. Die eingeschänkte Gültigkeit de in [2] dokumentieten Voschift fü die Beechnung de Rollenanzahl gab Anlass zu neuen Untesuchungen, die zeigen, dass statt des Beeiches de Dehngenze,R p die absolute Göße de Dehngenze R p beücksichtigt weden sollte. Anstelle eine schafen Beechnungsvoschift mit eingeschänktem Gültigkeitsbeeich kommt im neuen Ansatz die Fuzzy-Logik zum Einsatz, die eine Wissensbasis nutzt, welche aus den linguistischen Temen (Zugehöigkeitsfunktionen) de Ein- und Ausgangsgößen, de Regelbasis sowie dem Infeenz- und Defuzzifizieungsmechanismus besteht. Das in ein Fuzzy-System (Bild 5) eingebachte Wissen esultiet aus empiisch gewonnenen sowie in vebale Fom fomulieten Gesetzmäßigkeiten und stützt sich auf Egebnisse des paktischen Einsatzes de vituellen Abbildung des Richtpozesses [5]. Übe die aus 25 Regeln bestehende Regelbasis sind die Eingangsgößen, und R p mit de Ausgangsgöße n, die die Anzahl de Richtollen Bild 7 Koelation zwischen den Eingangsgößen und de Anzahl de Richtollen n Bild 8 Veschiedene Möglichkeiten de Anodnung eines Richtappaates bzw. -systems 3/2001 DRAHT 49

4 epäsentiet, veknüpft. Ein schafe Wet fü die Eingangsgöße Beeich des Kümmungsadius, kann nach Gleichung 7 emittelt weden. Die Vaiablen und sind de nach Gleichung 3 bestimmte imale bzw. imale Kümmungsadius., Gl. 7 Die Zugehöigkeitsfunktion de Eingangsgöße Dehngenze R p ist mit Bild 6 festgelegt. Die Unschäfe zeigt sich daduch, dass die jeweiligen Mengen de Gößen ineinande übegehen. So wid eine Dehngenze R p = 800 MPa zu 33 % (Zugehöigkeitsgad = 0,33) de Menge vey_small und zu 67 % (Zugehöigkeitsgad = 0,67) de Menge small zugeodnet. De Einsatz eines geeigneten Infeenzmechanismus sowie eine spezifischen Defuzzifizieungsmethode egibt ein spezifisches Übetagungsvehalten gemäß Bild 7. Damit kann fü einen Satz schafe Eingangsgößen eine schafe Ausgangsgöße geneiet weden. Die Tabelle 2 vemittelt fü einige diskete Wete de Eingangsgößen Dehngenze R p und Beeich des Kümmungsadius, abgeleitete Wete fü die Anzahl de Richtollen n. Tabelle 2: Mit Fuzzy-Logik emittelte Wete fü die Anzahl de Richtollen n Beeich d. Ausgangs- Dehngenze Anzahl de kümmungsadius Richtollen, [mm] R p [MPa] n [ ] Neben dem Richtbeeich und de Anzahl de Richtollen bestimmt die At und Weise de Positionieung de Richtollen maßgeblich den Richtpozess, da übe die Positionen de Richtollen die Biegeopeationen und damit u. a. die Restkümmung beeinflusst weden. Witels-Albet hat dazu veschiedene Technologiestufen entwickelt, die sich duch den Gad de Automatisieung untescheiden [5, 6, 7]. Integation des Richtpozesses Obwohl die einem Richtpozess vound nachgelageten Pozesse seh vielfältig sein können, so lassen sich doch übegeifend fü alle Vaianten wesentliche Regeln zu Integation ableiten. Zunächst sei die Sichestellung de Nulllinie, wie sie z. B. auch in Bild 8a zum Ausduck kommt, ewähnt. De Teus Nulllinie dückt aus, dass die an den Pozessen eine Veabeitungslinie beteiligten Wekzeuge in Bezug zu definieten geometischen Randbedingungen so positioniet sind, dass ein Pozessmateial spezifische Abmessung lediglich beüht wid, d. h. keine Vefomungen in den Einflussbeeichen de Wekzeuge stattfinden. Davon ausgeschlossen sind nicht vemeidbae Untebechungen z. B. in Gestalt von Umlenkungen des Pozessmateials. Die Positionieung de Wekzeuge, auch die eines Richtappaates bzw. systems, muss imme ausgehend von de Nulllinie definiet efolgen, so dass jedezeit beliebige Wekzeugpositionen epoduzieba eingestellt weden können. Auch bei Sichestellung de Nulllinie folgen theoetisch unendlich viele weitee Möglichkeiten de Applikation eines Richtappaates bzw. - systems, da sowohl eine Rotation um die Nulllinie, eine Rotation um den Nomalenvekto zu Nulllinie als auch eine Veschiebung in Richtung des Pozessmateials denkba ist. Duch die wechselseitige Anodnung de Rollen eines Richtappaates in eine Ebene und die Zielsetzung bei n Richtollen (n-2) wiksame Biegeopeationen zu ealisieen, egibt sich unte Einbeziehung de Kümmung des einlaufenden Pozessmateials eine este Zwangsbedingung, die die Liteatu [1] Li, Y.: Das Pinzip de Paametebestimmung des Richtappaates. Daht und Kabel Panoama, Febua/Mäz/Apil (1996), S [2] Schneideeit, H.; Schilling, M.: Bestimmung de Mindestollenanzahl bei Dahtichtappaaten. Daht, 47 (1996) 7/8, S [3] Albet, E.; Schilling, M.: Qualitätsvebesseung in de Dahtveabeitung. Daht, 49 (1998) 1/98, S [4] Maag, A.; Neuschütz, E.: Einfluss de Richtpaamete auf die Anlagenbelastung und die Poduktqualität beim Richten wamgewalzte Pofile. Stahl und Eisen, 110 (1990) 2, S [5] Gueicke, W.; Paech, M.; Albet, E.: Simulation des Richtens von Daht. Daht, 47 (1996) 1/2, S [6] Schneideeit, H.; Schilling, M.: Richtappaat mit elektonische Positioniesteueung. Daht, 48 (1997) 2, S genannten Rotationen auf jeweils einen Winkel einschänkt. Wid diese Zwangsbedingung beücksichtigt, egeben sich insgesamt acht veschiedene Möglichkeiten de Anodnung eines Richtappaates bzw. systems. Bild 8 veanschaulicht vie davon. Demnach muss eine Applikation so efolgen, dass die Achse de esten in Tanspotichtung des Pozessmateials angeodneten Richtolle zu Achse de beispielsweise vogelageten Spule ode Umlenkolle paallel ist sowie beide Achsen sich in Bezug zu Nulllinie auf deselben Seite befinden. Anstelle eine vogelageten Spule ode Umlenkolle kann ein in adäquate Weise gekümmtes Pozessmateial teten. Die exakte Anodnung des Richtpozesses in Richtung des Pozessmateials folgt aus eine zweiten Zwangsbedingung, die den Abstand A (Gleichung 8) zu einem dem Richtpozess vogelageten Pozess definiet. A FD Spule Gl. 8 Eine Einhaltung des in Bild 8b gekennzeichneten Abstandes A hat zu Folge, dass sich dauehaft eine konstante Richtqualität einstellt. Wid de Abstand A, de unte Beücksichtigung des Duchmesses de Spule D Spule emittelt wid, nicht espektiet, hat das noch nicht von seine Kümmung befeite Pozessmateial sowohl vo als auch im Richtappaat bzw. system die Möglichkeit, sich zu vedehen. Die Momentvektoen de stattfindenden Biegeopeationen sind stochastisch ausgeichtet und fühen zu nachteiligen Vefomungen sowie [7] Paech, M.: Innovative Richttechnik. Daht, 50 (1999) 2, S [8] E. Albet; M. Schilling; M. Paech: We do it staight Wie Staightening. Witels Appaate- Maschinen Albet GmbH, Belin, Maltesestaße , Gemany [9] N. N.: Willy Wie Fagebogen. Witels Appaate-Maschinen Albet GmbH, Belin, Maltesestaße , Gemany Auto Macus Paech ist Leite de Foschungs- und Entwicklungsabteilung bei Witels Appaate- Maschinen Albet GmbH, D Belin. 50 DRAHT 3/2001

5 zu eine vaiablen und schlechten Richtqualität. Schlussfolgeungen Die optimale Gestaltung und Integation eines Richtpozesses setzt eine Identifikation de Richtguthestellung und des Richtguts voaus. Gleichemaßen sind die Anfodeungen an das Endpodukt zu definieen und entspechend zu beücksichtigen. Die Möglichkeiten zu Identifikation sind objektiv und entwickelt, so dass eine Nutzung in de täglichen Paxis de Dahtindustie zum Standad gehöen sollte. Fü die Gestaltung und Integation von Richtpozessen liegen klae Richtlinien vo, die sich u. a. auf die Anwendung zeitgemäße Methoden und Vefahen stützen. Identifikation, Gestaltung und Integation sind duch eine übegeifende Denkweise, die die zum Richtpozess peipheen Pozesse einbezieht, gepägt. Zu beiten Umsetzung de Ekenntnisse übegeifende Denkweise hat Witels-Albet ein Buch heausgegeben [8] sowie einen Fagebogen [9] entwickelt, de Untestützung bei de Identifikation, Gestaltung sowie Integation von Richtpozessen vemittelt. Daübe hinaus bietet das Untenehmen Podukte an, die den Richtpozess mit vo- und nachgelageten Pozessen optimal veknüpfen sowie Integationsvaianten epäsentieen, bei denen de Stand de Ekenntnisse umgesetzt ist.