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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von Freiformschmiedepressen sowie eine Freiformschmiedepresse, welche mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit verbunden und dazu ausgelegt und eingerichtet ist, dieses Verfahren auszuführen.
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2. Stand der Technik
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Das Freiformschmieden ist eine zum Schmieden zugehörige Umformtechnik, die zum Ziel hat, die mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks zu verbessern sowie Rohteile herzustellen. Beim Freiformschmieden wird ein Werkstück mit gegeneinander bewegten Werkzeugen unter Druck umgeformt, wobei die Werkzeuge sowohl glatt sein als auch teilweise die Form des Werkstücks selbst enthalten können. Die Werkstückform entsteht durch gezielte Führung des Werkstücks und durch Steuerung der durch die Werkzeuge auf das Werkstück einwirkenden Umformkraft. Dabei sind üblicherweise viele Arbeitshübe der Werkzeuge erforderlich, bis das Werkstück seine gewünschte Form angenommen hat.
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Die Werkstücke werden dabei üblicherweise mittels eines Schmiedemanipulators erfasst und über die gesamte umzuformende Länge zwischen einer Fußlinie zu Beginn des umzuformenden Bereichs und einer Haubenlinie zum Ende des umzuformenden Bereichs schrittweise umgeformt. Die Werkstücklänge ist somit aus dem Abstand zwischen Haubenlinie und Fußlinie ermittelbar.
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Das Freiformschmieden erfolgt als Warmumformprozess innerhalb eines vorab festgelegten Temperaturfensters für das Werkstück. Diese Werkstücktemperatur ist werkstoffabhängig und berücksichtigt überdies auch üblicherweise die gewünschte Umformung des Werkstücks bis zur Endgeometrie sowie die durch den Stichplan vorgegebene und in das Werkstück eingebrachte Umformenergie.
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Aus der
US 2005/0247092 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Optimierung des Schmiedeprozesses bekannt. Ebenso offenbart die
WO 23005/113172 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Optimierung des Schmiedeprozesses. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren benötigen zur Optimierung des Schmiedeprozesses jedoch extrem kostenintensive Messtechnik und ermöglichen keine Online-Temperaturberechnungen sowie Regelung des Freiformschmiedeprozesses. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen berücksichtigen überdies keine Rundblöcke, abgesetzten Wellen, teilüberschmiedete Bereiche und konische Gussblöcke bei Berechnung der Formänderung oder Formänderungsverteilung innerhalb des Werkstücks. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind somit kostenintensiv und erbringen nicht die für die Regelung von Freiformschmiedeprozessen unterschiedlicher Art gewünschten Ergebnisse.
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3. Aufgabe der Erfindung
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Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Freiformschmiedepresse zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, eine umfassende Lösung zum Prozessmonitoring beim Freiformschmiedepressen zu ergeben, ohne hierbei auf kostenintensive messtechnische Systeme zurückgreifen zu müssen. Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einem Verfahren, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1, sowie mit einer Freiformschmiedepresse, umfassend die Merkmale des Anspruchs 13, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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4. Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von Freiformschmiedepressen zur Verfügung gestellt, das die Schritte (a) des Berechnens der Geometrieentwicklung eines Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle, (b) parallel, d. h. zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, zum Schritt (a) des Berechnens der Werkstücktemperatur über den Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks, (c) des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, vorzugsweise unter Nutzung der in Schritt (a) berechneten Geometrieentwicklung, und (d) das automatische oder manuelle Regeln der Formänderungsverteilung an einem vorab festgelegten Bereich anhand der in Schritt (c) berechneten Formänderungsverteilung umfasst.
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Hierdurch wird eine umfassende Lösung zum Prozessmonitoring beim Freiformschmieden zur Verfügung gestellt. Kostenintensive messtechnische Systeme können weitestgehend, vorzugsweise gänzlich, vermieden werden. Während des Freiformschmiedens wird eine Elongation dfes Werkstücks entlang der Werkstücklängsachse beabsichtigt, so dass bei jedem Hub die Länge um den Wert ΔL ansteigt, während die Breite aufgrund der freien Seitenflächen des Werkstücks um ΔB zunimmt. Das Verhältnis aus Längenänderung und Breitenänderung, die sogenannte Streckung, ist dabei stark Werkstoff-, Temperatur- und Werkzeugabhängig. Somit ist die Vorhersage bzw. Vorabberechnung der Geometrie nur bedingt möglich. Existierende messtechnische Lösungen zur Verfassung der Geometrieentwicklung weisen den Nachteil auf, dass sie aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen extrem komplex und kostenintensiv sind und daher nur in wenigen Schmieden zum Einsatz kommen können.
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Die erfindungsgemäße Lösung zur Überwindung dieser Probleme sieht vor, dass das Werkstück in eine definierte Anfangsposition verbracht wird und dort vorzugsweise eine Fußlinie für den Schmiedeprozess gesetzt wird. Daran anschließend wird das Werkstück geschmiedet und dabei schrittweise durch die Presse gefahren, bis zu einer vorab festgelegten Endposition, die vorzugsweise als Haubenlinie definiert wird. Manipulatorseitig wird die Haubenlinie der Beginn des Werkstücks, das sich bis zur oben beschriebenen Fußlinie erstreckt, definiert. Aus Differenz von Haubenlinie und Fußlinie ergibt sich somit die Werkstücklänge.
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Während der Schmiedung wird die Geometrieentwicklung dann über den Stichplan sowie dem Fachmann bekannte Zusammenhänge zur Breitung berechnet.
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Zu vorab festgelegten Zeitpunkten, z. B. nach jedem zweiten Stich, kann nun die Messung des Abstands zwischen Fußlinie und Haubenlinie wiederholt werden, wodurch es möglich wird, die reale Geometrieentwicklung zu erfassen und etwaig auftretende Fehler der Geometrieberechnung zu korrigieren. Bezogen auf das Modell zur Geometrieberechnung ergibt sich somit die Möglichkeit, das werkstoffabhängige Streckungs- und Breitungsverhalten zu erfassen.
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Weiterhin wird bevorzugt, wenn der Pressenhub, die Pressenkraft und/oder die Manipulatorposition mittels geeigneter Sensorik erfasst werden und von der Presse und gegebenenfalls auch der Manipulator dazu genutzt werden, die Breitung und die Längenänderung des Werkstücks zu bestimmen. Die Umsetzung erfolgt im Betrieb üblicherweise mit einem oder zwei Manipulatoren, wobei bei der Verwendung von zwei Schmiedemanipulatoren bevorzugt auch die Übergabe des Werkstücks vom ersten auf den zweiten Manipulator berücksichtigt wird.
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Bevorzugt wird, wenn alle genannten Parameter prozessparallel in einer Datenbank abgelegt werden, wodurch die Möglichkeit entsteht, ein selbstlernendes und sich kontinuierliches verbesserndes Modell zur Geometriemessung und -berechnung im Freiformschmieden zu erhalten.
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Die Temperatur ist eine entscheidende Zielgröße beim Freiformschmieden, weil diese wesentlich die Werkstoffeigenschaften, insbesondere das Gefüge des Werkstückes, beeinflusst. Während der Schmiedung kann die Temperatur nur an der Oberfläche gemessen werden, während die Temperatur im Inneren nicht messbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit das Berechnen der Werkstücktemperatur über dem Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks vor, wobei diese Berechnung der Werkstücktemperatur zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, somit parallel zum Schritt des Berechnens der Geometrieentwicklung des Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle erfolgt.
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Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der Temperaturverteilung mit Hilfe von einem oder mehreren Messsystemen, z.B. Pyrometer oder Thermografiesysteme, die an einem oder mehreren Punkten an der Werkstückoberfläche die Oberflächentemperatur messen. Die Berechnung der Temperaturverteilung im Werkstückinneren erfolgt dann unter Zuhilfenahme von dem Fachmann bekannten Temperaturmodellen. Vorzugsweise wird die berechnete Temperaturverteilung dem Pressenbediener angezeigt, wodurch die Überwachung und das Regeln des Freiformschmiedens vorteilhaft unterstützt wird. Insbesondere gibt dies dem Bediener die Möglichkeit, den Prozess jederzeit zu unterbrechen oder bedienerseitig in gewünschter Weise abzuändern.
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Das Berechnen der Geometrieentwicklung des Werkstücks beim Freiformschmieden ist vorzugsweise Grundlage für einen weiteren wesentlichen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge. Die beim Berechnen der Geometrieentwicklung gewonnenen Geometriegrößen werden dann als Eingangsgröße für ein Formänderungsmodell genutzt, um Prozess-parallel die Formänderungsverteilung und somit die Kernverdichtung beim Freiformschmieden zu berechnen. Ein hierfür gängiges Formänderungsmodell ist beispielsweise von Dominik Recker in der Veröffentlichung „Entwicklung von schnellen Prozessmodellen und Optimierungsmöglichkeiten für das Freiformschmieden“ aus dem Jahr 2014, Shacker-Verlag, Aachen, beschrieben worden. Das Berechnen der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge ist von hoher Bedeutung für das Freiformschmieden, da sich durch die Prozesscharakteristik beim Freiformschmieden eine inhomogene Verteilung der Formänderung im Werkstück ergibt.
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Bevorzugt wird erfindungsgemäß, wenn das Formänderungsmodell, insbesondere das oben beschriebene Formänderungsmodell nach Recker, um weitere Geometrien des zu schmiedenden Werkstücks erweitert wird, insbesondere hinsichtlich teilüberschmiedeten Blöcken, konischen Blöcken, polygonalen Blöcken und Rundblöcken. Hierzu muss in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise, die Formänderungsverteilung abhängig von den speziellen Geometrien der herzustellenden Werkstücke bei der Verwendung des Formänderungsmodells Berücksichtigung finden.
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Erfindungsgemäß wird schließlich die Formänderungsverteilung in einem vorab festgelegten Bereich anhand der vorab berechneten Formänderungsverteilung geregelt. Die Erfindung stellt somit ein ganzheitliches System für die Prozessregelung im Freiformschmieden zur Verfügung, in welchem die Prozess- und Qualitätsgrößen Geometrie, Formänderung und Temperatur unter Nutzung von Prozessdaten sowie Regelalgorithmen benutzt werden.
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Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn das vorab festgelegte Temperaturfenster für den Freiformschmiedeprozess kontrolliert und bevorzugt an den Pressenbediener eine Warnung ausgegeben wird, wenn das für das Werkstück als zulässig definierte Temperaturfenster verlassen wird. Besonders bevorzugt wird, wenn das Verfahren vorzugsweise automatisiert Vorschläge zur Fortführung des Freiformschmiedeprozess mit dem Ziel des Erreichens einer idealen Formänderungsverteilung vorschlägt und gegebenenfalls selbständig oder zumindest nach Freigabe durch den Pressenbediener umsetzt.
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Besonders bevorzugt wird, wenn das erfindungsgemäße Verfahren neben der Messung der Werkstücktemperatur und gegebenenfalls vorhandener Messsignale der Freiformschmiedepresse und/oder des wenigstens einem Werkstück-Manipulators, vorzugsweise des Pressenhubs, der Pressenkraft und der Manipulatorenposition(en) keine weiteren Messdaten nutzt. Hierdurch wird die Verwendung von Messsensorik und die damit verbundene Komplexität auf das notwendige Minimum beschränkt und gleichzeitig dennoch ein vollständiges Prozessmonitoring des Freiformschmiedens ermöglicht.
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Besonders bevorzugt wird, wenn die Schritte (a) - (c), somit des Berechnens der Geometrieentwicklung, des parallelen Berechnens der Werkstücktemperatur über den Querschnitt sowie des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, während des Freiformschmiedeprozesses online mitgerechnet wird, um eine schnellstmögliche Nachregelung des Freiformschmiedeprozesses zu ermöglichen.
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Insbesondere wird bevorzugt, wenn die Berechnung der Geometrieentwicklung die Berechnung des Streckungs- und Breitungsverhaltens des Werkstücks vorzugsweise Werkstoff-abhängig umfasst. Hierdurch wird sowohl das Monitoring als auch das Regeln des Freiformschmiedeprozesses selbst vorteilhaft unterstützt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die bei der Berechnung der Geometrieentwicklung des Werkstücks unter Nutzung empirischer Modelle ermittelten Parameter als Eingangsgrößen für ein Formänderungsmodell verwendet, dem die Formänderungsverteilung und vorzugsweise bei inhomogener Formänderungsverteilung über den Querschnitt und/oder Länge des Werkstücks, auch die Kernverdichtung ermittelt wird. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das insbesondere bei Werkstückgeometrie, die von Rundgeometrien abweicht, insbesondere bei abgesetzten Wellen, eine bestmögliche Aussage über den Freiformschmiedeprozess und die Eigenschaften des bearbeiteten Werkstücks erlaubt.
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Es wird in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn eine Steuerungs- und Regelungseinheit vorgesehen ist, die mit einer Datenbank verbunden, in der sämtliche erfassten Messdaten und berechneten Parameter abgespeichert werden. Hiermit wird ein Verfahren geschaffen, das vorzugsweise selbstlernend in der Lage ist, die Regelalgorithmen auch im Falle der Herstellung komplexer Werkstückgeometrien und besonderer Werkstückgüten so einzustellen, dass ein bestmögliches Schmiedeergebnis erzielt wird.
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Besonders bevorzugt wird dabei, wenn die Steuerungs- und Regelungseinheit die berechneten Größen von Geometrieverteilung und/oder Formänderungsverteilung und/oder Temperaturänderungsverteilung an den Bediener anzeigt, vorzugsweise zudem Warnungen bei Abweichen von vorab festgelegten Bereichen ausgibt und/oder Vorschläge zur Regelung des Freiformschmiedeprozess mit Ziel der Einhaltung der vorab festgelegten Bereiche und/oder zum Erreichen einer idealen Formänderungsverteilung ausgibt. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das optimale Freiformschmiedeergebnisse, optimierte Stichpläne und optimale Werkstückgüten herzustellen in der Lage ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Freiformschmiedepresse zur Verfügung gestellt, die mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit verbunden ist und die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt auszuführen.
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Sämtliche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile und technischen Effekte sind somit auch mittels einer solchen erfindungsgemäßen Freiformschmiedepresse erreichbar.
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5. Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf zwei Figuren näher erläutert, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert sind, ohne dass diese geeignet wären, im Schutzbereich der Erfindung, der in den Ansprüchen definiert ist, einzuschränken. In den Figuren zeigen
- 1 eine erste Ansicht auf eine Freiformschmiedepresse zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2 eine Ansicht auf eine Freiformschmiedepresse zum Ende des Freiformschm iedeprozesses.
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6. Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Freiformschmiedepresse 1 mit zwei zueinander beweglich angeordneten Schmiedewerkzeugen 2, 3. Das obere Schmiedewerkzeug 3 ist beweglich gegen das untere Schmiedewerkzeug 2 innerhalb der Freiformschmiedepresse 1 angeordnet, wobei das Werkstück 4, gehalten von einem Schmiedemanipulator 5, zu Beginn des Freiformschmiedeprozesses an die Schmiedewerkzeuge 2, 3 herangeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Fußlinie 7 festgelegt, die den Beginn des Werkstücks 4 oder zumindest seiner zu schmiedenden Länge, festlegt.
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2 zeigt die gleiche Freiformschmiedepresse 1 wie aus 1, wobei das Werkstück 4 zum Ende des Freiformschmiedeprozesses vollständig zwischen den Schmiedewerkzeugen 2, 3 umgeformt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Haubenlinie 8 festgelegt, die das Ende des umzuformenden Werkstücks 4 festlegt. Aus der Differenz von Fußlinie 7 aus 1 und Haubenlinie 8 wird dann die Längung ΔL des Werkstücks 4 während des Freiformschmiedeprozesses bestimmbar. Der Fachmann kann hieraus aufgrund der Massen- und Volumenkonstanz auch die werkstoffabhängige Breitung ΔB bestimmen. Während des Schmiedeprozesses kann die Geometrieentwicklung über den während der Umformung des Werkstücks 4 durchgeführten Stichplan sowie bekannte Zusammenhänge zur Breitung berechnen. Dem Fachmann sind derartige werkstoffabhängige Zusammenhänge beispielsweise aus Tomlinson, A; Stringer, J.D.: „Spread and elongation in flat tool forging" aus dem Journal of the Iron and Steel Institute 193, 1959, S. 157 - 162, hinlänglich bekannt. Hierdurch kann vermieden werden, dass durch unbekanntes Werkstückverhalten Fehler entstehen, die sich ansonsten kontinuierlich aufaddieren würden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Freiformschmiedepresse
- 2
- Schmiedewerkzeug
- 3
- Schmiedewerkzeug
- 4
- Werkstück
- 5
- Schmiedemanipulator
- 7
- Fußlinie
- 8
- Haubenlinie
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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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- US 2005/0247092 A1 [0005]
- WO 23005/113172 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Tomlinson, A; Stringer, J.D.: „Spread and elongation in flat tool forging“ aus dem Journal of the Iron and Steel Institute 193, 1959, S. 157 - 162 [0030]
