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Die
Erfindung betrifft eine Backenprofilwalze nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bei
einer aus der
DE 198
52 208 A1 bekannten Backenprofilwalze sind in einem C-Gestell
ein Backenkorb mit einer festen Walzbacke und ein Schlitten mit
einer beweglichen Walzbacke angeordnet.
3 dieser
Veröffentlichung
zeigt einen Stand der Technik, bei dem in dem Backenkorb eine Bohrung
mit einem Sensor angeordnet ist. Der Sensor befindet sich unterhalb
der Stützfläche, auf
der die feste Walzbacke bei Beaufschlagung mit einer Spurfehlerkraft
abgestützt
werden soll. Die Veröffentlichung
selbst zeigt eine Variante, bei der ein Sensor in einer Bohrung
einer Spannpratze angeordnet ist, die zum Verspannen der festen
Walzbacke im Backenkorb dient.
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Es
hat sich gezeigt, dass an diesen Stellen angeordnete Sensoren nur
unzureichend in der Lage sind, eine Spurfehlerkraft zu ermitteln.
Es ist nämlich zu
berücksichtigen,
dass die feste Walzbacke bei der Umformung des Werkstücks in erster
Linie mit einer bezogen auf das zu bearbeitende Werkstück radialen Kraft
beaufschlagt wird und diese Kraft einen Reibschluss zwischen der
festen Walzbacke und dem Backenkorb über die Seitenflächen herbeiführt. Wegen dieses
Reibschlusses gleiten die Seitenflächen zwischen der festen Walzbacke
und dem Backenkorb nicht aufeinander, so dass eine Spurfehlerkraft
nicht über
die genannte Stützfläche sondern über Reibschluss
von der festen Walzbacke in den Backenkorb eingeleitet wird. Weder
der Sensor im Backenkorb, noch der Sensor in der Spannpratze können daher einen
repräsentativen
Wert der Spurfehlerkraft erfassen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Backenprofilwalze dahingehend
zu verbessern, dass die Spurfehlerkraft präzise ermittelbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Backenprofilwalze nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs gelöst.
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Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung geht
von der Überlegung
aus, dass die auf die feste oder bewegliche Walzbacke bei Spurfehlern
ausgeübte
Spurfehlerkraft durch Reibschluss und/oder Kraftschluß vollständig in
den Backenkorb und/oder den Schlitten eingeleitet wird. Daher bewirkt
die Spurfehlerkraft eine Verlagerung des Backenkorbs und/oder des Schlittens
insgesamt innerhalb des Maschinengestells. Diese Verlagerung führt zu Kräften an
den Befestigungselementen des Backenkorbs und/oder des Schlittens
am Maschinengestell.
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Die
Spurfehlerkraft kann präzise über eine Verlagerung
des Backenkorbs und/oder des Schlittens im Maschinengestell oder
auch durch eine Verlagerung des Backenkorbs gegenüber dem
Schlitten oder über
die durch die Verlagerung verursachten Kräfte an den Befestigungselementen
des Backenkorbs und des Schlittens am Maschinengestell ermittelt
werden. Es wird hier nur die Kraft- oder Wegkomponente erfasst,
deren Richtung senkrecht zur Hubrichtung des Schlittens und parallel
zur profilierten Fläche
der Walzbacken weist und damit auch gleichzeitig in Achsrichtung
des zwischen den Walzbacken zu bearbeitenden Werkstückes weist.
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Zur
Messung der Kraft- oder Wegkomponente dient ein Sensor, der in Abhängigkeit
der Steifigkeit des Maschinenelementes als Kraftsensor für relativ große Kräfte aber
kleine Wege oder als Wegsensor für
relativ große
Wege aber kleine Kräfte
ausgebildet ist. Da ein Kraftsensor Kräfte aber auch über eine Dehnung
oder Stauchung, also über
einen Weg erfasst, ist eine grundsätzliche Trennung nicht nötig. Mit
dem nachfolgend verwendeten Begriff Sensor sind daher sowohl Kraft-
als auch Wegsensoren gemeint.
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Der
Bezugsort des Sensors kann a) das Maschinengestell sein, wenn der
Fühler
des Sensors mit einer der Walzbacken gekoppelt ist oder b) eine
der Walzbacken sein, wenn der Fühler
des Sensors mit dem Maschinengestell oder der anderen Walzbacke gekoppelt
ist. Im Sinne der Erfindung ist die Trommel einer Segmentprofilwalze äquivalent
mit dem Schlitten einer Flachbackenprofilwalze, so dass die Erfindung
sowohl bei einer Flachbackenprofilwalze als auch bei einer Segmentprofilwalze
anwendbar ist.
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Der
Sensor kann an der Oberfläche
des Maschinengestells nahe dem Backenkorb oder dem Schlitten angeordnet
sein.
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Es
entfällt
bei dieser Anordnung eine Bearbeitung von Teilen der Backenprofilwalze,
wodurch der Sensor auch nachträglich
angebracht werden kann. Der Sensor ist dadurch von außen zugänglich und
erfordert bei Installation, Kontrolle oder Reparatur keine Zerlegung
des Flachbackenprofilwalzwerkzeugs.
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Weiterhin
kann der Sensor am oder im Maschinengestell nahe der Stützfläche des
Backenkorbs oder der Gleitfläche
des Schlittens, jeweils bezogen auf die senkrecht zur zu messenden
Kraftkomponente ausgerichtete Fläche
angeordnet sein.
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Ferner
kann der Sensor an Befestigungselementen des Backenkorbs angeordnet
sein, die in Richtung der zu messenden Kraftkomponente belastet
werden.
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In
beiden Fällen
ist allerdings eine Bearbeitung von Teilen der Backenprofilwalze
notwendig
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Fühler des Sensors als biegsame
Zunge mit einem Dehnungsaufnehmer ausgebildet.
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Dies
ermöglicht
eine sehr kostengünstige Realisierung
bei hoher Messwertauflösung.
Als biegsame Zunge kommen dabei auch bereits zur Backenprofilwalze
gehörige
Teile, wie z. B. eine Schlittenleiste in Betracht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
ist ein Sensor an einem im Backenkorb angeordneten Stützblock
angeordnet, über
den der Backenkorb über
ein Stellmittel am Maschinengestell abgestützt ist.
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Bei
Verlagerungen des Backenkorbs im Maschinengestell wird der sich über Stellmittel
am Maschinengestell abgestützte
Stützblock
einer Biegung als Biegebalken unterworfen. Die mit dem Sensor erfasste
Durchbiegung des Biegebalkens erlaubt daher einen Rückschluss
auf Verlagerungen des Backenkorbs im Maschinengestell.
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Durch
die Anordnung des Sensors am Stützblock
innerhalb des Backenkorbs ist der Sensor außerdem gegen äußere Einflüsse geschützt untergebracht.
Der Sensor muss nicht vor einem Ausbau des Backenkorbs demontiert
werden. Dadurch wird die Umrüstung
und Handhabung der Backenprofilwalze vereinfacht.
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Der
Stützblock
kann einseitig im Backenkorb eingespannt und sein zum Stellmittel
weisendes Ende gegenüber
dem Backenkorb durch einen Ringraum freigestellt sein und den Sensor
tragen.
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Da
der Biegebalken im freigestellten Bereich des Backenkorbs ohne Berührung mit
dem Backenkorb und damit unbehindert auslenken kann, ist seine Durchbiegung
dort proportional zur Verlagerung des Backenkorbs im Maschinengestell.
Der Sensor liefert daher ein zur Verlagerung proportionales Signal.
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Der
Sensor kann aus zwei am Stützblock
gegenüberliegend
angeordneten Teilsensoren bestehen und die Teilsensoren können so
beschaltet sein, dass nur die Kraft- und/oder Wegkomponenten erfasst
werden, deren Richtung senkrecht zur Hubrichtung des Schlittens
und parallel zur profilierten Fläche
der Walzbacken weist.
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Bei
dieser Ausführung
werden die in Achsrichtung des Stützblockes wirkenden Umformkräfte kompensiert,
so dass die Signalauswertung des Sensorsignals vereinfacht wird.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann eine Regeleinrichtung zur Einstellung der Ausrichtung
der festen und beweglichen Walzbacke vorgesehen sein mit dem Sensorsignal
als Regelgröße.
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Hierdurch
ist ein automatischer Betrieb möglich.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, dass
in der Zeichnung dargestellt ist.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch ein Flachbackenprofilwalzwerkzeug
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2a bis
c Querschnitt durch ein teilgewalztes Profil ohne und mit Spurfehlern
sowie Darstellungen der beim Walzvorgang entstehenden Kraftkomponenten.
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3a eine
grafische Darstellung eines Kraftverlaufs ohne und mit Spurfehler
an einer Einstellschraube über
der Zeit oder dem Kurbelwinkel und
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3b eine
grafische Darstellung eines Kraftverlaufs ohne und mit Spurfehler
an einem Sensor über
der Zeit oder dem Kurbelwinkel.
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Die
Darstellung in 1 zeigt einen Schnitt durch
eine Flachbackenprofilwalze aus einem C-Gestell 10, welches
einen Backenkorb 12 mit einer festen Walzbacke 14 sowie
einen Schlitten 16 mit einer beweglichen Walzbacke 18 trägt. Das
C-Gestell 10 besteht
aus einem waagerechten Verbindungsschenkel 20 und zwei
senkrechten Schenkeln 22, 24, die unten mit dem
Verbindungsschenkel 20 verbunden und oben frei sind. Möglich ist
auch ein oberer Zuganker zwischen den zwei senkrechten Schenkeln,
der das C-Gestell zu einem Torgestell ergänzt.
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Die
Walzbacken 14, 18 sind innerhalb des Backenkorbs 12 und
Schlittens 16 durch Spannpratzen 26, 28 verspannt.
Der Backenkorb 12 ist über
ein exzentrisch zu seiner vertikalen Mittelachse angeordnetes Schwenklager 30 auf
dem horizontalen Verbindungsschenkel 20 des C-Gestells 10 gelagert.
Andere Lagerarten, wie verspannbare Doppelkeile oder Stellmittel
in Form von Stellschrauben und Zugankern sind ebenfalls reali sierbar.
An dem rechten Schenkel 24 des C-Gestells 10 wird
der Backenkorb 12 über
Stellmittel abgestützt.
Diese Stellmittel sind als Stellschrauben 32, 34 ausgebildet,
die aufgrund ihrer Führung
in Gewindebohrungen des freien Schenkels 24 des C-Gestells 10 auch
eine Verlagerung in begrenztem Maße in vertikaler Richtung ermöglichen.
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Der
Schlitten 16 gleitet auf einer waagerechten Fläche des
Verbindungsschenkels 20, dem Schlittenbett 36,
und einer senkrechten Fläche 38 des
linken Schenkels 22 des C-Gestells 10. Eine obere
Schlittenleiste 40 verhindert das Verlassen des Schlittenbettes
bei nach oben gerichteten Kräften
am Schlitten 16.
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Zwischen
den Walzbacken 14, 18 befindet sich ein Werkstück 42,
in das ein Profil gewalzt werden soll. Es handelt sich hier um einen
Schraubenrohling, der mit einem Gewinde versehen werden soll. Dazu
befinden sich in beiden Walzbacken 14, 18 Negativformen
in Gestalt einer Abwicklung des zu walzenden Gewindes. Das Werkstück 42 wird
durch laterale Bewegung mitgenommen. Dadurch entsteht ein rollendes
Abwälzen
des Werkstücks 42 zwischen den
beiden Flächen
der Walzbacken 14, 18. Während dieser Bewegung fließt das Material
in die entspre chende Profilform und das Profil wird nach und nach
ausgeformt. Am Ende der Walzbewegung wird das fertige Werkstück 42 entnommen.
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Um
eine korrekte Formung zu erhalten, müssen die Negativformen der
beiden Walzbacken 14, 18 mit ihren Profilen exakt
parallel und spurig zueinander ausgerichtet sein. Spurig heißt, dass
die Profile nach einer rollenden Bewegung des Werkstücks 42 um
eine halbe Umdrehung exakt in die Einformung des jeweils von der
gegenüber
liegenden Walzbacke 14, 18 bereits geschaffenen
Profils hineinpassen und so dieses bereits vorgeformte Profil weiter
ausbilden. Die spurige Ausrichtung kann einmal durch eine Einstellung
der vertikalen Position des Backenkorbes 12 erfolgen, aber
auch durch eine laterale Vorausrichtung des Schlittens 16 mit
der beweglichen Walzbacke 18 gegenüber der festen Walzbacke 14.
Letztere Ausrichtung wird bei der hier beschriebenen Flachbackenprofilwalze
vorgenommen.
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Ist
die Ausrichtung der Walzbacken 14, 18 fehlerhaft,
so entstehen beim Formen der Profile nach der ersten halben Umdrehung
des Werkstückes 42 axiale,
bei der hier dargestellten Ausrichtung in vertikale Richtung verlaufende
Kräfte,
die durch die bereits vorgeformten Flanken im Werkstück 42 auf die
Flanken der eingreifenden Walzbacken 14, 18 ausgeübt werden.
Diese axialen Kräfte
sind ein sicheres Indiz für
eine inkorrekte Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18.
Je kleiner die axialen Kräfte, desto
besser ist die Ausrichtung. Im Idealfall gehen die Axialkräfte dabei
auf ein Minimum. Starke axiale Kräfte hingegen zeigen eine deutliche
Fehleinstellung. Werden die Kräfte
gemessen, können
anhand der Messungen die Walzbacken gegeneinander ausgerichtet werden,
um so über
eine Minimierung der Kräfte
eine exakte Ausrichtung im Hinblick auf fluchtende Profile zu erreichen.
Dies kann manuell oder automatisch durch einen geschlossenen Regelkreis mit
der Axialkraft als Regelgröße erreicht
werden.
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Sind
die beiden Walzbacken 14, 18 exakt zueinander
ausgerichtet, so treten im Betrieb lediglich horizontale Kräfte auf,
die durch den Andruck der Walzbacken 14, 18 an
das Werkstück 42 entstehen.
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Bei
nicht exakter Ausrichtung der Walzbacken 14, 18 sind
zwei Fälle
voneinander zu unterscheiden. Führt
der Spurfehler zu einer nach oben gerichteten Kraft auf den Schlitten 16 und
auf eine nach unten gerichtete Kraft auf den Backenkorb 12, so
wird der Schlitten 16 leicht angehoben und der Backenkorb 12 in
die entgegen gesetzte Richtung nach unten gedrückt. Da das Lager 30 des
Backenkorbs 12 steifer als die Schlittenleiste 40 ist,
ist die Verlagerung des Backenkorbs 12 nach unten geringer
als die des Schlittens 16 nach oben.
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Führt der
Spurfehler hingegen zu einer nach oben gerichteten Kraft auf den
Backenkorb 12 und auf eine nach unten gerichtete Kraft
auf den Schlitten 16, wird der Schlitten 16 nach
unten gedrückt
und der Backenkorb 12 in die entgegen gesetzte Richtung nach
oben angehoben. Da das durch den Querschenkel 20 des C-Gestells 10 gebildete
Gleitlager des Schlittenbetts 36 des Schlittens 16 steifer
als das Schwenklager 30 des Backenkorbs 12 ist,
ist die Verlagerung des Backenkorbs 12 nach oben größer als die
des Schlittens 16 nach unten.
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Zur
Messung einer Spurfehlerkraft, die bei nicht fluchtenden Walzbackenprofilen
auftritt, dienen Sensoren 44, 50, 52, 62 für die in
der Darstellung nach 1 vier unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten
angegeben sind. So ist gemäß einer
ersten Ausführung
ein Sensor 44 auf der diametral zum Schwenklager 30 weisenden
Seite des Backenkorbs 12 angeordnet. Der Sensor 44 ist
als biegsame Zunge 46 mit einem Deh nungsaufnehmer 48 ausgebildet und
auf der einen Seite auf dem oberen Ende des rechten Schenkels 24 des
C-Gestells 10 fixiert, während das andere Ende der Zunge 46 den
Backenkorb 12 teilweise übergreift und an dessen Oberseite
anliegt. Bei Verlagerung des Backenkorbs 12 gegenüber dem
C-Gestell 10, hier gegenüber dem rechten Schenkel 24 des
C-Gestells 10 lenkt die biegsame Zunge 46 aus
und der darauf befindliche Dehnungsaufnehmer 48 erzeugt
ein zur Dehnung und damit zur Auslenkung proportionales Signal,
das ausgewertet werden kann und aus dem auf die Spurfehlerkraft rückgeschlossen
werden kann.
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Da
bei exakter Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18 im
Betrieb lediglich horizontale Kräfte auftreten,
die senkrecht auf dem Messfreiheitsgrad des Sensors 44 stehen,
wird kein Sensorsignal erzeugt.
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Bei
nicht korrekter Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18 wird
eine Verlagerung der festen Walzbacke 14 mit dem Backenkorb 12 gegenüber dem
rechten Schenkel 24 und damit auch eine Auslenkung des
Sensors 44 hervorgerufen. Zwar sind die Auslenkungen in
die eine oder andere Richtung bei betragsmäßig gleicher Spurfehlerkraft
nicht symmetrisch, dennoch lassen sich die Messwerte zur Einstellung
der Walzbacken 14, 18 nutzen. Denn der angestrebte
Idealwert der Einstellung der Walzbacken 14, 18 entspricht
dem Null-Wert der Auslenkung des Sensors 44.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
ist ein erster Sensor 50 auf der Schlittenleiste 40 angeordnet und
ein zweiter Sensor 52 im Querschenkel 20 des C-Gestells 10 unter
dem Schlitten 16 angeordnet.
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Die
Schlittenleiste 40 ist auf der einen Seite auf dem oberen
Ende des linken Schenkels 22 des C-Gestells 10 fixiert,
während
die andere Seite der Schlittenleiste 40 den Schlitten 16 teilweise übergreift und
an dessen Oberseite anliegt. Führt
der Spurfehler zu einer nach oben gerichteten Kraft auf den Schlitten 16,
wird der Schlitten 16 gegen die Schlittenleiste 40 gedrückt. Die
Schlittenleiste 40 lenkt dadurch aus und der darauf befindliche
erste Sensor 50 erzeugt ein zur nach oben gerichteten Spurfehlerkraft proportionales
Signal, das ausgewertet werden kann.
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Führt der
Spurfehler hingegen zu einer nach unten gerichteten Kraft auf den
Schlitten 16, wird der Schlitten 16 gegen den Querschenkel 20 des
C-Gestells 10 bzw. gegen das in diesen Querschenkel 20 eingelassene
Schlittenbett 36 gedrückt.
Der im Querschenkel 20 des C-Gestells 10 oder
im Schlittenbett 36 angeordnete zweite Sensor 52 erzeugt
dann ein zur nach unten gerichteten Spurfehlerkraft proportionales
Signal, das ausgewertet werden kann. Die Signale des ersten Sensors 50 auf
der Schlittenleiste 40 und des zweiten Sensors 52 im
Schlittenbett 36 werden vorteilhaft addiert. Für dieses
Summensignal gelten sinngemäß die gleichen
Erläuterungen
wie bei der ersten Ausführung.
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Gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführung
ist ein Sensor 62 an einem im Backenkorb 12 angeordneten
Stützblock 54 angeordnet, über den der
Backenkorb 12 über
ein Stellmittel 32 am Maschinengestell abgestützt ist.
Der Stützblock 54 ist
einseitig im Backenkorb 12 eingespannt und sein zum Stellmittel 32 weisendes
Ende ist gegenüber
dem Backenkorb 12 durch einen Ringraum 56 freigestellt. Die
Einspannung kann durch eine Presspassung oder eine Verschraubung
realisiert sein.
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Bei
korrekter Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18 zueinander
nimmt der Stützblock 54 die
durch das Stellmittel 32 eingeleitete Umformkraft auf,
die in Axialrichtung des Stütz blocks 54,
in der Zeichnung nach 1 horizontal in der Zeichenebene
gerichtet ist. Eine nicht korrekte Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18 zueinander
führt zu
einer Auslenkung des Stützblockes 54 als
Biegebalken, die in der Zeichnung nach 1 vertikal
in der Zeichenebene gerichtet ist.
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Der
Sensor 62 umfasst zwei am Stützblock 54 gegenüberliegend
angeordnete Teilsensoren 58, 60. Diese Teilsensoren 58, 60,
die z. B. Dehnungsmessstreifen sein können, sind so beschaltet, dass nur
die Differenzsignale ausgewertet werden und damit nur Kraft- und/oder
Wegkomponenten erfasst werden, deren Richtung senkrecht zur Hubrichtung des
Schlittens 16 und parallel zur profilierten Fläche der
Walzbacken 14, 18 weist. Axiale Umformkräfte durch
das Stellmittel 32 werden hingegen kompensiert.
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Der
Sensor 62 liefert ein zur Auslenkung des Stützblocks 54 und
damit zur Verlagerung des Backenkorbs 12 im Maschinengestell
proportionales Signal, das ausgewertet werden kann und aus dem auf die
Spurfehlerkraft rückgeschlossen
werden kann.
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Da
bei exakter Ausrichtung der beiden Walzbacken 14, 18 im
Betrieb lediglich horizontale Kräfte auftreten,
die senkrecht auf dem Messfreiheitsgrad des Sensors 62 stehen,
wird kein Sensorsignal erzeugt.
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2a bis
c zeigen einen Querschnitt durch ein teilgewalztes Profil ohne und
mit Spurfehlern sowie Darstellungen der beim Walzvorgang entstehenden
Kraftkomponenten. Bei 2b sind die Walzbacken 14, 18 exakt
zueinander ausgerichtet, so dass die Vertiefungen der Negativformen
nach einer halben Umdrehung exakt in die von der anderen Walzbacke 14, 18 vorgeformten
Vertiefungen im Werkstück 42 hinein
laufen. Resultierende, nach außen wirkende
Spurfehlerkräfte
entstehen hierbei nicht oder sind minimal. Die auf die Flanken der
Vertiefungen ausgeübten
Kräfte
in axialer Richtung des Werkstückes 42 heben
sich gegenseitig auf.
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In
den anderen Darstellungen nach 2a und 2c sind
die Walzbacken 14, 18 nicht exakt ausgerichtet,
so dass die Negativformen nicht in die Vertiefungen, die von der
gegenüber
liegenden Walzbacke 14, 18 geformt wurden, hineinlaufen.
Dadurch üben
die Flanken der Profile der Werkstücke 42 gegenüber den
Flanken der Negativformen Kräfte
aus, die sich bei dieser Gestaltung in Form von Spurfehlerkräften in
vertikaler Richtung auswirken.
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3 zeigt eine grafische Darstellung eines Kraftverlaufs
ohne und mit Spurfehler über
der Zeit oder dem Kurbelwinkel, und zwar in 3a an
einer Einstellschraube 32 nach 1 und in 3b den gleichen
Fall an Sensoren 44, 50, 52, 62 gemäß einer der
in 1 beschriebenen Anordnungen.
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In 3a ist
die Kraft die Resultierende aus der Umformkraft, die horizontal
gerichtet ist und der Spurfehlerkraft, die vertikal gerichtet ist.
Diese Kraft ist wegen der Überlagerung
mit der Umformkraft nicht geeignet, einen minimalen oder gegen Null
gehenden Spurfehler einzustellen.
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In 3b sind
die Kraftverläufe
als Messgrößen am Ort
und in Messrichtung der Sensoren 44, 50, 52, 62 dargestellt.
Die dort auftretenden Kräfte oder
Auslenkungen entsprechen im wesentlichen der vertikal gerichteten
Spurfehlerkraft, aufgetragen über der
Zeit oder dem Kurbelwinkel. Die horizontale Umformkraft tritt hier
nicht in Erscheinung. Daher sind die mit den Sensoren 44, 50, 52, 62 ermittelbaren Messgrößen ge eignet,
eine eindeutige Angabe über den
Spurfehler zu liefern.