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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Rohren, Drähten, Profilen und dergleichen Langmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein Fertigungsverfahren für die Herstellung von Rohren, Drähten, Profilen und dergleichen Langmaterial ist das Durchziehen. Bei dieser Form des Zugdruckumformens wird ein Materialstrang, zumeist aus Metall, durch ein Ziehhol hindurchgezogen. Der Materialstrang nimmt dadurch außen die Form der Öffnung des Ziehhols an und wird in der Regel länger und dünner. Ist der Materialstrang ein Hohlkörper wie etwa ein Rohr, kann ein Dorn mit dem Ziehhol unter Ausbildung eines Spalts, insbesondere eines Ringspalts, zusammenwirken.
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Werkstoff-, werkzeug-, verschleiß-, schmiermittel- und verfahrensparameterabhängig kann beim Durchziehen ein sogenanntes Rattern auftreten, bei dem Resonanzschwingungen auftreten und zu Beschädigungen in Form von Rattermarken am Materialstrang oder zu einem Abriss des Materialstrangs führen.
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Zur Erkennung und Vermeidung des Ratterns beim Rohrziehen ist es z.B. aus der
EP 0 780 171 A1 bekannt, mittels Körperschallsensoren Schwingungen des Ziehsystems Rohr-Dorn-Ziehhol-Maschine zu erfassen und die Schwingungsamplitude auf Überschreiten eines Grenzwerts oder mittels eines Fuzzy-Logic-Systems zu überwachen, um die Ziehgeschwindigkeit zwecks Vermeidung des Ratterns zu verringern.
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Nachteilig ist hierbei, dass nicht durch Rattern hervorgerufene hohe Amplituden zu einer fehlgeleiteten Verringerung der Ziehgeschwindigkeit führen können. Zudem ist ein Rattern zuverlässig nur dann erkennbar, wenn es bereits auftritt. Im Ergebnis ist mit dem bekannten Verfahren ein nur suboptimaler Materialdurchsatz erzielbar.
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Andere Fehler beim Rohrziehen, insbesondere Ziehriefen, sind mit dem bekannten Verfahren nicht erkennbar.
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Die gleiche Problematik zeigt sich beim Durchziehen von Drähten, Profilen und dergleichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Rohren, Drähten, Profilen und dergleichen Langmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6 zu schaffen, mit denen Fehler wie Rattern und Ziehriefen unter Sicherstellung eines hohen Materialdurchsatzes zuverlässig ausgeschlossen werden können.
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Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst.
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Demnach wird ein Verfahren zum Ziehen von Rohren, Drähten, Profilen und dergleichen Werkstoffsträngen vermittels einer Ziehvorrichtung geschaffen, bei dem während des Ziehvorgangs am Werkstoffstrang und/oder an der Ziehvorrichtung Schwingungsemissionen erfasst und ausgewertet werden, um Fehler wie Ziehriefen und Rattermarken zu erkennen, wobei die Schwingungsemissionen kontinuierlich einer Spektralanalyse dergestalt unterzogen werden, dass das Auftreten oder die Abwesenheit insbesondere frequenzselektiver, im zeitlichen Verlauf auf- und abschwellender Emissionen und/oder insbesondere frequenzselektiver, impulsartiger Emissionen erkannt wird, und dass in Reaktion darauf die Ziehgeschwindigkeit geändert wird.
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Durch die Spektralanalyse lassen sich Signalmuster erkennen, die das Einsetzen des Ratterns einige hundert Millisekunden vorher ankündigen. Rattern kann gegenüber einer auf der Schwingungsamplitude basierenden Auswertung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, zuverlässiger verhindert werden. Gleiches gilt für breitbandige, impulsartige Emissionen, die für Ziehriefen typisch sind. Auch diese können vermittels der erfindungsgemäßen Spektralanalyse bereits erkannt werden, bevor sie zu energieintensiv werden und Spuren am Materialstrang hinterlassen.
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Zweckmäßigerweise wird die Ziehgeschwindigkeit verringert, wenn derartige Emissionen spektralanalytisch erkannt werden, und sie kann erhöht werden, wenn sie ausbleiben. Eine darauf basierende, adaptive Regelung der Ziehgeschwindigkeit stellt sicher, dass stets mit der größtmöglichen Ziehgeschwindigkeit gearbeitet wird.
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Die Auswertung kann auf Basis der von der Anmelderin entwickelten, mehrdimensionalen Mustererkennung erfolgen, wie sie z.B. aus der
EP 2 359 106 A2 bekannt ist, die hiermit durch Inbezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Schwingungsemissionen in Frequenzbereiche geringer sowie hoher Emission zu unterteilen und die Erkennung im Bereich geringer Emissionen durchzuführen. Hierzu können ein Amplitudenschwellenwert im Spektrum oder die Schwingungsintensität zugrunde gelegt werden, z.B. prozentual vom Maximum im zeitlichen Verlauf.
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Die Erfindung schafft ferner eine Ziehvorrichtung zum Ziehen von Rohren, Drähten, Profilen und dergleichen Materialsträngen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit einem Sensor zum Erfassen von Schwingungen, die beim Ziehen am Materialstrang und/oder an der Ziehvorrichtung entstehen, und einer mit dem Sensor gekoppelten Auswerteeinrichtung zum Auswerten der erfassten Schwingungen zwecks Erkennen von Fehlern wie Ziehriefen und Rattermarken, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgestaltet ist, Schwingungsemissionen kontinuierlich einer Spektralanalyse dergestalt zu unterziehen, dass das Auftreten oder die Abwesenheit im zeitlichen Verlauf auf- und abschwellender Emissionen und/oder impulsartiger Emissionen erkannt wird, sowie zur Steuerung oder Regelung der Ziehgeschwindigkeit in Reaktion auf die Erkennung ausgestaltet ist.
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Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenbeschreibung
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- 1A illustriert eine Rohrziehvorrichtung im Längsschnitt.
- 1B ist eine perspektivische Ansicht auf einen Abschnitt einer Rohrziehvorrichtung.
- 1C illustriert eine Rohrziehvorrichtung mit festem Dorn im Längsschnitt.
- 1D illustriert eine Rohrziehvorrichtung mit einer mitlaufenden Stange im Längsschnitt.
- 1E illustriert eine Rohrziehvorrichtung mit fliegendem Dorn im Längsschnitt.
- 2A illustriert das Schwingungsspektrum eines nahezu vollständigen Rohrzugvorgangs.
- 2B zeigt einen Ausschnitt der 2A.
- 2C illustriert das Schwingungsspektrum im normalen, ratterfreien Betrieb.
- 2D ist ein Ausschnitt der 2A unmittelbar vor Ratterbeginn.
- 2E zeigt einzelne Schwingungsmuster aus 2D.
- 2F zeigt eine Schwingung aus 2E.
- 3 illustriert das Spektrum bei einer adaptiven Regelung der Ziehgeschwindigkeit.
- 4 illustriert kumulierte Ratterpulse.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die in 1A schematisch illustrierte Ziehvorrichtung 1 zum Ziehen von z.B. Rohren umfasst ein Ziehhol 2, durch welches ein Rohr 3 in Richtung des Pfeils 4 gezogen wird, um Außendurchmesser und Rohrdicke zu verringern, sowie einen Sensor 5 zum Erfassen von Schwingungsemissionen, der hier beispielhaft am Ziehhol 2 angeordnet und mit einer Auswerteeinrichtung 6, z. B. einem Computer, gekoppelt ist.
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Das beispielhaft dargestellte Ziehhol 2 weist eine Durchbrechung 7 auf, die hier rotationssymmetrisch um die Mittelachse 8 ausgestaltet ist und sich von einem eingangsseitigen Durchmesser auf einen Wirkdurchmesser verjüngt. Das Rohr 3 erfährt beim Durchziehen durch das Ziehhol 2 eine Zugdruckumformung auf einen gewünschten Zieldurchmesser. Bei der Bemessung des Wirkdurchmessers ist zu berücksichtigen, dass das Rohr 3 ausgangsseitig der Verjüngung abhängig vom Rückfederungsgrad des Materials auffedern und damit größer werden kann als der Wirkdurchmesser des Ziehhols 2. Zweckmäßigerweise weitet sich der Durchmesser des Ziehhols 2 ausgangsseitig wieder etwas auf.
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Die Ziehvorrichtung 1 kann mehrere Ziehhole 2 aufweisen, siehe 1 B. Beispielhaft sind drei Ziehhole 2a, 2b, 2c illustriert, durch welche gleichzeitig Rohre gezogen werden können. Mindestens einem Ziehhol 2a ist ein Sensor 5a zugeordnet, der hier mit einem Kabelstummel illustriert ist. Zweckmäßigerweise ist jedem Ziehhol 2a, 2b, 2c jeweils ein Sensor 5a, 5b, 5c zugeordnet. Vorzugsweise ist der Sensor 5 am Ziehhol 2 oder einem damit fest verbundenen Element angekoppelt.
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Das Rohr 3 kann auch von innen durch ein Innenwerkzeug gestützt sein, welches sich zusätzlich zum Ziehhol 2 oder anstelle des Ziehhols 2 für eine Ankopplung des Sensors 5 eignet. Beispielsweise kann ein Dorn 9 vorgesehen sein, der an einer Dornstange 10 befestigt ist, siehe 1C. Beim Ziehvorgang wir das Rohr 2 sodann durch einen zwischen Ziehhol 2 und Dorn 9 gebildeten Ringspalt gezogen und nimmt im Außendurchmesser das Maß des Ziehhols 2 und im Innendurchmesser das Maß des Dorns 9 an, zzgl. einer etwaigen Auffederung. Der Sensor 5 kann in diesem Fall an der Dornstange 10 angekoppelt sein. Gleiches gilt bei der Verwendung einer mitlaufenden Stange 11, siehe 1D, die anstelle des Dorns 7 durch das Rohr gesteckt und über einen zylindrischen Kopfansatz 12, der sich durch das angespitzte Ende 13 des Rohrs 2 hindurch erstreckt, von einem Ziehwerkzeug erfasst wird. Der Sensor 5 kann dabei an der mitlaufenden Stange 11 angekoppelt sein.
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Ist hingegen ein schwimmendes Innenwerkzeug vorgesehen, z.B. der schwimmende Dorn 9 in 1 E, eignet sich dieses nicht zum Ankoppeln des Sensors 5. Der Sensor 5 wird dann am Ziehhol 2 oder einem damit fest verbundenen Element angekoppelt.
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Wenngleich die 1 zum Zwecke der Illustration eine Drahtziehvorrichtung illustriert, ist erfindungsgemäß die Ziehvorrichtung 1 zum Ziehen von Rohren, Draht, Profilen oder anderen Materialsträngen geeignet und kann hierzu weitere Komponenten wie etwa ein Innenwerkzeug oder eine Zugvorrichtung aufweisen.
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Der Sensor 2 ist vorzugsweise ein Körperschallsensor, z.B. ein Piezo-Sensor. Andere Arten von Sensoren sind ebenfalls verwendbar, solange sie Schwingungen im interessierenden Frequenzbereich erfassen können.
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Angekoppelt ist der Sensor 2 am Ziehhol 2, am Rohr 3, an einem Innenwerkzeug, oder an einem mit dem Ziehhol 2, dem Rohr 3 und/oder dem Innenwerkzeug schwingungsgekoppelten Teil derart, dass er Schwingungen des Rohrs 3 und/oder des Ziehhols 2 und/oder des Innenwerkzeugs erfassen kann. Im einfachsten Fall ist der Sensor festgeschraubt.
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Während des Ziehvorgangs entstehen Schwingungen am Rohr 3 und an der Ziehvorrichtung 1, insbesondere am Außenwerkzeug Ziehhol 2 oder am Innenwerkzeug, die vom Sensor 5 aufgenommen werden. Hierzu ist der Sensor 5 derart ausgebildet, dass er Frequenzen zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert erfassen kann. Idealerweise ist der untere Grenzwert 0 und der obere Grenzwert ∞, so dass das gesamte interessierende Spektrum aufgenommen werden kann. In der Praxis ist ein oberer Grenzwert von mindestens 50 MHz, bevorzugt mindestens 100 MHz, zweckmäßig. Frequenzen unterhalb von 90 kHz oder 40 kHz werden in der Praxis vorzugsweise gedämpft oder abgeschnitten, da sie keinerlei verwertbare Information enthalten, so dass ein entsprechender unterer Grenzwert zweckmäßig ist, aber auch bei 50 kHz, 100 kHz, 500 kHz oder 1 MHz liegen kann.
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Der tatsächliche Frequenzbereich des Sensors 5 sollte anhand des zu ziehenden Materials und der Ziehgeschwindigkeit gewählt werden. Als besonders informativ hat sich der Frequenzbereich zwischen etwa 180 kHz und 400 kHz herausgestellt.
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Die vom Sensor 5 während der Bearbeitung des Werkstücks 3 erfassten Schwingungen werden erfindungsgemäß einer Spektralanalyse z.B. in Form einer Frequenz-Zeit-Analyse unterworfen. Hierfür kann das erfasste Schwingungsspektrum in der Auswerteeinrichtung 6 zwischengespeichert werden, die vorzugsweise ein Computer mit entsprechender Schnittstelle und geeigneten Speichermedien ist.
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In der Auswerteeinrichtung 6 kann die Frequenz-Zeit-Analyse dergestalt erfolgen, dass das Schwingungsspektrum noch während der Erfassung oder danach grafisch dargestellt wird und/oder numerisch analysiert wird.
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Die Auswertung kann wie in 2 illustriert dreidimensional mit den Koordinaten Zeit, Frequenz und Amplitude (oder maximale Amplitude oder Intensität oder dergleichen) illustriert erfolgen.
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2A zeigt das Schwingungsspektrum eines nahezu vollständigen Rohrzugvorgangs. Erkennbar ist ein breitbandiger, d.h. sich über nahezu den gesamten erfassten Frequenzbereich erstreckender, hochintensiver Rattersignalabschnitt mit beschränkter Zeitdauer, einsetztend ab etwa Sekunde 7.
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Das Rattern kündigt sich durch breitbandige auf- und abschwellende Emissionen einige 100ms vorher an, siehe 2B. Aufeinanderfolgende Emissionslinien zeigen eine zunehmende Intensität. Sie sind mittels Mustererkennung erkennbar und unterscheiden sich deutlich von den Emissionen im normalen, ratterfreien Betrieb, siehe 2C.
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2D ist ein Ausschnitt der 2A unmittelbar vor Ratterbeginn mit periodischen Aufschwingungen. Einzelne Schwingungsmuster daraus sind in 2E dargestellt. Eine Schwingung ist in 2F gezeigt.
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Erfolgt in Reaktion auf eine Erkennung derartiger auf- und abschwellender Emissionen eine Verringerung der Ziehgeschwindigkeit, verschwinden die Emissionslinien und ein Rattern kann vermieden werden, siehe 3.
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Wird über einen längeren Zeitraum keine breitbandige auf- und abschwellende Emission erkannt, kann die Ziehgeschwindigkeit erfindungsgemäß im Rahmen etwaiger weiterer Betriebsparameter erhöht werden, bis sich derartige Emissionslinen abzeichnen.
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Ein möglicher Regelkreis kann auf kumulierten Ratterpulsen beruhen, siehe 4.
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Die obere Kurve 14 der 4 beginnt bei (0,0) und erreicht zwischendurch bei Bezugsziffer 15 einen Funktionswert von 29. Sie beschreibt kumulierte Ratterpulse im hier beispielhaften Frequenzbereich von 200 kHz bis 400 kHz. Jede Erkennung eines Ratterpulses erhöht dabei den Wert um 1.
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In Zeitrichtung wird eine Gradientenanalyse der Signalemission in diesem Frequenzbereich durchgeführt. So wird der kumulierte Wert zurückgesetzt, wenn nach anfänglichem Auftreten der periodischen Emissionen, die ein Rattern ankündigen, diese periodischen Emissionen für eine vorbestimmte Zeitspanne entfallen, wird der kumulierte Wert auf 0 oder um einen Rücksetzwert, z.B. -5, zurückgesetzt.
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Bei Überschreiten bestimmter Schwellenwerte können Signale an die Maschine gesendet werden, mit denen z.B. die Geschwindigkeit angepasst, insbesondere reduziert wird. Entfallen daraufhin die Emissionen, die Rattern ankündigen, kann der kumulierte Wert wie vorstehend beschrieben reduziert oder zurückgesetzt werden und die Maschine kann beschleunigen.
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Dies ist durch die untere Kurve 16 der 4 mit einer beispielhaft dreistufigen Geschwindigkeitsregelung illustriert. Der Wert -3 bezeichnet hier die Normalgeschwindigkeit, der Wert -2, auf welchen bei Bezugsziffer 17 geregelt wird, eine Geschwindigkeitsverringerung um 25%, der Wert -1, auf den bei Bezugsziffer 18 geregelt wird, eine Geschwindigkeitsverringerung um -50%. Bei Bezugsziffer 19 kann die Geschwindigkeit wieder auf den Normalwert geregelt werden, da über eine vorbestimmten Zeitdauer kein Rattern erkannt worden ist. Die der Reduktion um 25% und um 50% bei Bezugsziffern 17 bzw. 18 (und nachfolgenden Regelungspunkten) zugeordneten Schwellenwerte sind durch die horizontalen Linien 20 bzw. 21 illustriert.
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Die Erfindung schafft damit eine adaptive Regelung der Ziehgeschwindigkeit, die selbst bei Änderung der Betriebsparameter (Werkzeugverschleiß, Schmiermittelvariation, Temperaturänderung etc.) nahe am Maximum verbleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0780171 A1 [0004]
- EP 2359106 A2 [0013]
