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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Durchformung
und Gefügeausbildung
schwerer Schmiedestücke
beim Freiformschmieden mittels einer Schmiedepresse, die von einem
Prozessführungsrechner
nach einem Schmiedeplan gesteuert wird.
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Das
Freiformschmieden gilt als sehr flexibles Formgebungsverfahren,
weil mit relativ einfachen Schmiedewerkzeugen vielfältige Werkstückformen
in unterschiedlichsten Größenordnungen
hergestellt werden können.
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In
der Regel wird beim Freiformschmieden neben der Formgebung eines
metallischen Werkstückes
auch eine Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften angestrebt.
So lassen sich durch optimale Gestaltung der Umformparameter im
Schmiedevorgang und in Kombination mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung
des Werkstückes
die aus dem Gießprozess
herrührenden
Werkstoffeigenschaften wesentlich verbessern. Die entscheidenden Gründe für die Eigenschaftsverbesserungen
bestehen darin, dass beim Schmiedevorgang die für Gussgefüge typischen Lunker weitestgehend
geschlossen werden und dass darüber
hinaus durch das Einbringen massiver Umformkräfte im Temperaturbereich oberhalb
der Rekristallisationstemperatur die Herausbildung einer Feinkornstruktur
gefördert
wird. Durchgängige
Eigenschaftsverbesserungen werden jedoch nur erreicht, wenn das
Schmiedestück
beim Freiformschmieden eine möglichst
homogene Durchformung oder Durchschmiedung über seinen Querschnitt und über seine
gesamte Länge
erfährt.
Obwohl an diesem Problem seit Jahrzehnten gearbeitet wird, stellt
die lückenlose
Durchschmiedung der zentralen Kernzone schwerer Schmiedeblöcke auch heute
noch eine große
Herausforderung für
die Steuerung des Schmiedeprozesses dar.
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Die
Wirkungen der Einflussfaktoren auf eine homogene Durchschmiedung
sind außerordentlich komplex
und es ist sehr schwierig, in diesen Wechselbeziehungen Konstanz
zu erzielen. So weisen z. B. Schmiedeblöcke gleichen Werkstoffs und
gleicher Abmessungen aufgrund unterschiedlicher Erwärmung sowie
Analyseabweichungen von Char ge zu Charge erhebliche Streuungen hinsichtlich
des zulässigen
Umformgrades und der zulässigen
Schmiedekräfte
auf.
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Dieses
Beispiel verdeutlicht, dass selbst bei Schmiedestücken gleicher
Abmessung und gleichen Werkstoffs aufgrund der Streuungen in den
zulässigen
Schmiedeparametern theoretisch mehrere Schmiedepläne notwendig
wären,
um eine annähernd
gleichmäßige Durchschmiedung
zu gewährleisten.
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In
den zurückliegenden
Jahren wurden zunehmend qualitätsoptimierte
Prozesssteuerungen entwickelt, die einen reproduzierbaren Schmiedeablauf
nach optimierten Schmiedeparametern gewährleisten sollen. Diese PC
gestützten
Prozesssteuerprogramme führen
jedoch nur dann zu optimalen Ergebnissen, wenn die Vielzahl technologischer
Prozessparameter und prozessbedingte Erscheinungsbilder, wie z.
B. lokale Temperaturfelder, die durch erhöhte Umformung einen kurzzeitigen
Temperaturanstieg zeigen, während
der gesamten Prozessdauer online erfasst und dem Programm zur Verfügung gestellt
werden können.
Da es gegenwärtig
in der Praxis noch nicht gelingt, alle Parameter beim Freiformschmieden
online zu erfassen, ist die Generierung von Schmiedeplänen, die
eine Reproduzierbarkeit konstanter Werkstückeigenschaften gewährleisten, nach
wie vor äußerst schwierig.
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Neben
anderen Einflussfaktoren ist der sogenannte Bissversatz, d. h. der
Werkzeugvorschub beim Freiformschmieden, von großer Bedeutung für eine gleichmäßige Durchschmiedung
des Werkstückes
insbesondere auch im Bereich des Werkstückkerns.
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Um
den Bissversatz gezielt steuern zu können, ist die Vermessung des
Schmiedegutes unter Berücksichtigung
der Längung
des Werkstückes während des
Schmiedens notwendig.
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Zum
Vermessen großer
Schmiedestücke sind
verschiedene Verfahren bekannt, die von berührenden über berührungslose Verfahren bis hin
zu kamerabasierten optischen Systemen reichen. Unter den berührungslosen
Verfahren sind Anlagen auf der Basis von Laserstrahlen weit verbreitet.
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LaCam-Forge
ist z. B. ein modernes Laserstrahlmesssystem, mit dem die Längung des Schmiedestückes nach
jedem Schmiedehub online gemessen wird. Die Messergebnis se werden
an ein PC-gestütztes
Schmiedesystem übergeben,
das den optimierten Bissversatz für den folgenden Arbeitsgang
ermittelt (IFM 2003, 15th Internat. Forgemasters Meeting, Kobe City,
JP, Oct. 26–29,
2003; S. 137–140).
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Aus
der
DE 37 23 825 A1 ist
ein Verfahren zum Recken eines metallischen Werkstückes auf
einer Schmiedepresse bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Reckgradmesser
verwendet, der die Längung
des Werkstückes
während
der Verformung misst. In dem Verfahren wird mit einer vollautomatischen
Schmiedeprozesssteuerung mit Prozessrechner gearbeitet, der über ein
adaptives Modell die Steuerwerte für jeweils eine Überschmiedung
des Werkstückes
berechnet. Das Modell wird mittels der gemessenen Istwerte für die Werkstücklängung während des
Schmiedeverlaufs online korrigiert. Auf der Grundlage der gemessenen
Längung
des Werkstückes
während
der Umformung wird nach diesem Verfahren das Werkstück von Biss
zu Biss nur soweit versetzt, dass der Bissrand des jeweils vorhergehenden
Bisses am Werkstück
innerhalb der Sattelbreite der Schmiedewerkzeuge zu liegen kommt.
Bevorzugt wird ein unterschiedlicher Bissversatz von 25% bzw. 50%
der Sattelbreite vorgeschlagen.
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In
der
DE 39 34 236 A1 werden
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geometrie eines
Schmiedestückes
in einer Schmiedepresse vorgestellt. Das berührungslose Messsystem arbeitet mit
Laserstrahlen nach dem Strahl-Sender und Strahl-Empfänger
Prinzip. Erfasst werden neben der Längung auch die Querschnittsmaße des Schmiedestückes. Die
Messdaten werden einem Prozessrechner übergeben, der die aktuellen
Daten so verarbeitet, dass der nachfolgende Umformschritt mit vorbestimmten
programmierten Schmiedeparametern abläuft. Durch das Programm werden
die Eindringtiefe des Werkzeuges, die Größe des Bissversatzes und die
Manipulatorposition so festgelegt, das innerhalb mehrerer Schmiededurchgänge eine
möglichst gleichmäßige Durchformung
erfolgt.
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Das
Freiformschmieden auf einer Schmiedepresse, deren Steuerung mittels
eines Prozessrechners nach einem Schmiedeplan erfolgt, wird in der
DE 31 09 902 A1 näher erläutert. Die
Aufgabenstellung der Erfindung besteht darin, auch bei Schmiedepressen
mit sehr differenziertem Fertigungsprogramm einen hohen zeitlichen
Ausnutzungsgrad zu erreichen. Dabei spielt eine wesentliche Rolle,
dass die Leistungsfähigkeit
einer Schmiedeanlage nicht allein durch die schmiedetechnischen
Werte, sondern auch durch das dynamische Verhalten von Presse und
Manipulator beeinflusst wird. Ferner ist zu berücksichtigen, dass Beschleunigungsvermögen und
Geschwindigkeit der Manipulatoren dem Ausnutzungsgrad der Schmiedepresse
Grenzen setzen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass während
des Schmiedens die maximal zulässige
Werkstückverformung
am Prozessrechner eingestellt wird. Zur Feststellung der maximal
möglichen
Werkstoffverformung werden Messwerte der während der Umformung auftretenden
Presskräfte,
des Presskraftanstieges sowie der Umformtemperatur verwendet. Weiterhin
werden Wahrnehmungen hinsichtlich der Herausbildung des Schmiedekreuzes
herangezogen. Auf der Basis dieser Werte gibt der Prozessrechner
den optimalen Fahrschritt, Fahrtrichtung und Rückhub des Manipulators sowie
das Schmiedemaß vor.
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Es
ist bekannt, dass bei großen
Schmiedeblöcken
Schwankungen in der Gefügehomogenität und in
der Verteilung von Poren, wie Gasblasen oder Mikrolunker, über die
Länge des
Schmiedestückes und
Schwankungen in der Verteilung der Temperaturfelder über die
Schmiededauer hinweg zu beobachten sind, die zu erheblichen Streuungen
des zulässigen
Umformgrades und der Schmiedkräfte
führen
und somit auch unterschiedliche Bedingungen für die Durchschmiedung des Werkstoffes
mit sich bringen. Bei den bisher aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungsvorschlägen, durch
den gezielten Bissversatz auf der Grundlage der online gemessenen
Werkstücklängung eine
gleichmäßige Eigenschaftsverbesserung
zu erreichen, können
diese Gefüge-
und Temperaturschwankungen nur bedingt oder gar nicht berücksichtigt
werden. In der Regel wird jeweils von theoretischen Annahmen ausgegangen,
welcher Umformzustand in der unmittelbaren Umformzone nach einem
Werkzeugbiss aufgrund der gegebenen Prozessparameter vorliegt. Gegebenenfalls
werden diese Annahmen durch Verfahrensmodelle korrigiert. Der Einfluss
der bereits erwähnten Analyseschwankungen
und der Temperaturschwankungen auf die Ausbildung des Durchschmiedungszustandes
bleibt jedoch nach diesen Verfahren völlig unberücksichtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren
zu entwickeln, bei dem objektiv vorhandene Erscheinungskriterien
als Maß der
Intensität
der Umformung und der lokalen Verteilung des Stoffflusses über den
Querschnitt des Werkstückes
genutzt werden, um eine optimale Durchschmiedung des Schmiedestückes bis
in die Kernzone hinein über
dessen gesamte Länge
zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
während
des Schmiedens das auf der Schmiedegutoberfläche bei jedem Werkzeugbiss sichtbar
werdende sogenannte Schmiedekreuz optisch aufgenommen wird, das
Bild online in einem Prozessrechner derart ausgewertet wird, dass
Intensität
und Verteilung der Umformung sowie der Temperatur berechnet werden
und dass die Berechnungsdaten für
die Auslegung des folgenden Bissversatzes entsprechend der erforderlichen
Formänderungsverteilung
genutzt werden. Darüber
hinaus werden die vom Prozessrechner ermittelten aktuellen Umformparameter
an ein Gefügemodell übergeben, das
mit dem Prozessrechner gekoppelt ist. Das Gefügemodell berechnet aus den
aktuellen Umformparametern die daraus resultierende Korngrößenausbildung
und Korngrößenverteilung
im Werkstückvolumen
des jeweiligen Umformschrittes. Das Gefügemodell übergibt die ermittelten Gefügedaten
zeitnah an den Prozessrechner, so dass diese Daten in die gezielte
Steuerung des weiteren Schmiedeverlaufes einbezogen werden können.
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Beim
Freiformschmieden bilden sich zwischen den Flächen des oberen und unteren
Werkzeuges Werkstückzonen
extremer Umformung heraus, die von den Werkzeugen her betrachtet
die Form eines Kegels haben. Die schräg zueinander verlaufendenden
Mantellinien der Kegel beginnen an den Außenkanten der Werkzeuge und
schneiden sich etwa in der Mitte des Schmiedestückes. Dort treffen die beiden
Kegelspitzen annähernd
aufeinander und die Mantellinien dieser auf dem Kopf stehenden Kegel
bilden das sogenannte Schmiedekreuz.
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Diese
kegelförmig
ausgebildeten Werkstückzonen
sind gekennzeichnet durch einen extrem hohen Umformgrad, der eine
lokale Erhitzung des Schmiedematerials in diesen Zonen hervorruft.
Bedingt durch die Temperaturerhöhung
hebt sich der Linienverlauf des Schmiedekreuzes durch eine Aufhellung
vom ansonsten rotglühenden
Schmiedekörper ab
und ist deshalb vom Schmiedepersonal mit bloßem Auge deutlich sichtbar.
Die Aufnahme solcher Schmiedekreuze mit derzeit üblichen optischen Kamerasystemen
und die Weitergabe der Bilddaten an eine programmtechnische Auswertung
sind völlig problemlos.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, dass die Bilddaten an
ein Prozessmodell übergeben
werden, in dem die Daten der optischen Aufnahmen mittels analytischer,
statistischer oder numerischer Algorithmen berechnet werden. Das
Prozessmodell ermittelt somit online aus den Bilddaten die lokale
Verteilung und die Intensität
der Form änderung sowie
das jeweilige Temperaturfeld in dem Werkstückvolumen zwischen den beiden
Werkzeugflächen.
Die Berechnungsergebnisse über
den aktuellen Umformungszustand im jeweiligen Werkstückvolumen
werden genutzt, um daraus den notwendigen Versatz beim nächsten Biss
festzulegen, der eine gezielte Form änderungsverteilung und somit
eine gleichmäßige Durchschmiedung
gewährleistet.
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Gemäß eines
weiteren Erfindungsmerkmals werden die vom Prozessmodell ermittelten
Daten über
die lokale Verteilung und die Intensität der Formänderung sowie das Temperaturfeld
im Werkstückvolumen
des jeweiligen Umformschrittes an ein Gefügemodell übergeben. Auf der Grundlage
umformspezifischer Gesetzmäßigkeiten
ist das Gefügemodell
in der Lage, aus den zu Beginn des Schmiedevorgangs in das Modell
eingegebenen relevanten Werkstoffdaten des Schmiedestückes und
den aktuellen Umformparametern die daraus resultierende Gefügestruktur
im Werkstückvolumen
des entsprechenden Umformschrittes zu ermitteln. Diese Daten geben
Auskunft darüber,
ob und in welchem Maße sich
unter dem Einfluss der Umformparameter eine Feinkornstruktur herausgebildet
hat und inwieweit diese über
den Werkstückquerschnitt
im Bereich des jeweiligen Umformschrittes verteilt ist. Grad und
Verteilung der Feinkornstruktur sind in hohem Maße ausschlaggebend für die Herausbildung
der Werkstückeigenschaften.
Zur aktuellen Einbeziehung der Gefügedaten in die kontinuierliche
Steuerung des Schmiedeprozesses werden diese zeitnah vom Gefügemodell
an den Prozessrechner übergeben.
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Schließlich wird
zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Längung des Schmiedestückes über den
gesamten Schmiedevorgang mittels eines optischen oder mechanischen Messverfahrens
zu erfassen und die Messdaten dem Prozessrechner zu übergeben.
Dort wird jeder Schmiedekreuz-Aufnahme die entsprechende Position
auf dem Schmiedestück
zugeordnet, so dass am Ende eines Schmiededurchlaufes eine der Bissanzahl
entsprechende Anzahl Schmiedekreuze über die gesamte Länge des
Schmiedestückes
positioniert ist.
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Das
Prozessmodell ermittelt am Ende eines Schmiededurchlaufs die Verteilungen
der Form änderungsgrade
und der Formänderungsgeschwindigkeiten
sowie das Temperaturfeld über
die gesamte Länge
des Schmiedestückes.
Durch die Integration des Gefügemodells
in das Prozessmodell können parallel
dazu auch die aktuellen Korngrößen verteilungen
bestimmt und entsprechenden Positionen auf dem Schmiedestück zugeordnet
werden.
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Aus
der Gesamtanzahl der Schmiedekreuze nach einem Schmiededurchlauf,
der je Schmiedekreuz berechneten Umformgradverteilung sowie der daraus
resultierenden Gefügestruktur
und ihrer jeweils bekannten Position auf dem Schmiedestück ermittelt
das Prozessmodell für
den nachfolgenden Schmiededurchlauf die optimalen Bissversätze und die
zulässigen
Umformgrade für
eine gleichmäßige Durchformung
des Schmiedestückes über dessen gesamte
Länge.
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Gegenüber bekannten
Lösungen
hat das erfindungsgemäße Verfahren
den großen
Vorteil, dass über
die optische Aufnahme und Auswertung der Schmiedekreuze online der
aktuelle Zustand in der Umformzone erfasst wird und über die
Intensität
der Verfärbung
entlang des Schmiedkreuzverlaufes und über die lokale Ausdehnung des
Schmiedekreuzes der Grad und der Verlauf der Durchschmiedung unmittelbar
abgeleitet werden können.
Durch die Verknüpfung
des Prozessmodells mit einem Gefügemodell
können
aus den aktuell berechneten Umformparametern zeitnah die daraus
resultierenden Gefügestrukturen
abgeleitet und somit vorteilhafte Werkstückeigenschaften eingestellt
werden.
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Da
das Schmiedekreuz über
die Temperaturerhöhung
den Werkstoffzustand in der Umformzone unmittelbar abbildet, ist
vorstellbar, dass das Schmiedekreuz aufgrund der bekannten Schwankungen
in den Werkstoff- und Verfahrensparametern von Biss zu Biss ein
unterschiedliches Erscheinungsbild zeigt. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
jedes Schmiedekreuz gesondert aufgenommen und ausgewertet wird,
werden bei jedem Schmiedeschritt die objektiv vorliegenden Umformbedingungen
online erfasst, ausgewertet und darauf aufbauend die für eine gleichmäßige Durchschmiedung
erforderlichen Umformparameter für
den nachfolgenden Biss ermittelt.
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Diese
Besonderheiten gehen weit über
die aus dem aktuellen Stand der Technik bekannten Lösungen hinaus,
in denen zur Ermittlung des Bissversatzes einzig und allein die
Werkstücklängung herangezogen
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert.
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Die
schematische Darstellung in 1 zeigt den
prinzipiellen Ablauf der Erfassung von Mess- und Bilddaten, der
Verarbeitung dieser Daten in einem Prozessrechner und die Weitergabe
von Steuerungssignalen durch den Prozessrechner an die Steuerung der
Schmiedepresse. Zudem ist in 1 die Kopplung
des Prozessrechners mit einem Gefügemodell dargestellt.
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Im
Mittelpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes
steht ein Prozessrechner 1 mit integriertem Prozessmodell 2.
Zu Beginn des Schmiedevorgangs werden die Eingangsdaten 3,
wie z. B. die Schmiedestückanfangs-
und Endabmessungen sowie technologische Parameter, in den Prozessrechner 1 eingegeben.
Im Prozessverlauf werden dem Prozessrechner 1 kontinuierlich
die online gemessenen Umformparameter 4, wie z. B. Schmiedekraft
und Umformtemperatur, zur Verfügung
gestellt.
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Mittels
eines optischen Kamerasystems 5 werden die bei jedem Umformschritt
auf der Oberfläche
des Schmiedestückes
zwischen den beiden Schmiedewerkzeugen sichtbar werdenden sogenannten
Schmiedekreuze aufgenommen. Die entsprechenden Aufnahmesignale werden
in einem Bildverarbeitungssystem 6 bearbeitet und die entstehenden
Bilddaten werden zeitnah dem Prozessrechner 1 übermittelt.
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Mit
einem zweiten optischen System 7, das für die dreidimensionale Vermessung
großer
Werkstücke
geeignet ist, wird das Schmiedestück kontinuierlich nach jedem
Umformschritt vermessen und neben anderen geometrischen Daten auch
die Schmiedestücklängung ermittelt.
Ferner ermittelt dieses optische System auch die Bewegungen der
Schmiedewerkzeuge. Die Messsignale werden über eine Erfassungs- und Auswerteeinheit 8 an
den Prozessrechner 1 weitergeleitet.
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Der
Prozessrechner 1 ist gemäß der Erfindung mit einem Gefügemodell 9 gekoppelt.
Zu Beginn des Schmiedeprozesses wird das Gefügemodell 9 mit allen
für die
Gefügeausbildung
relevanten Werkstoffdaten des jeweiligen Schmiedestückes versorgt.
Während
des Schmiedevorgangs erhält
das Gefügemodell 9 nach
jedem Umformschritt vom Prozessrechner die aktuellen Prozessparameter.
Das Gefügemodell 9 berechnet
auf der Grundlage der Werkstoffeingangsdaten und unter Berücksichtigung der
aktuellen Umformparameter die daraus resultierende Korngrößenverteilung
und übergibt
diese Gefügedaten
unmittelbar an den Prozessrechner 1.
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Aus
der Gesamtheit der zur Verfügung
stehenden Bild-, Vermessungs- und Prozessda ten ermittelt der Prozessrechner 1 mittels
des integrierten Prozessmodells 2 nach jedem Umformschritt
die Verteilung der Intensität
der Formänderung
in dem zwischen den beiden Schmiedewerkzeugen befindlichen Schmiedestückvolumen.
Ausgehend von diesen Ergebnissen und dem geforderten gleichmäßigen Durchschmiedungsgrad
des Schmiedestückes wird
der erforderliche Bissversatz für
den nachfolgenden Umformschritt ermittelt. Die berechneten Daten
werden vom Prozessrechner 1 an die Steuereinheit 10 der
Schmiedepresse übergeben,
die den entsprechenden Verfahrweg des Schmiedemanipulators einstellt.
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Da
jede Schmiedekreuzaufnahme und jede Ermittlung der Korngrößenverteilung
aufgrund der kontinuierlichen optischen Vermessung des Schmiedestückes einer
aktuellen Position auf dem Schmiedestück zugeordnet wird, kann der
Prozessrechner 1 nach dem jeweils erfolgten Schmiededurchlauf
ein Gesamtbild des Schmiedestückes
hinsichtlich der Verteilung der Umformkennzeichen und der Korngrößen über dessen
Länge vermitteln.
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Darüber hinaus
berechnet der Prozessrechner 1 aus den Gesamtdaten des
aktuellen Schmiededurchlaufes die Verfahrwege des Manipulators und den
Bissversatz für
den folgenden Prozessdurchlauf.
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Schließlich kann
der Prozessrechner 1 am Ende des Schmiedevorgangs aus den
Daten über
die Verteilung der Umformkennzeichen und aus den Daten des Gefügemodells
den Grad der Durchschmiedung und die Korngrößenverteilung über die
gesamte Länge
des Schmiedestückes
beschreiben.