DE3728313C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der radialen Umformkräfte bei Drückwalzmaschinen, deren Drückwalzrollen auf Spindeln befestigt sind, die ihrerseits in einem feststehenden Lagergehäuse drehbar gelagert sind, wobei der geweiligen Spindel eine Meßeinrichtung zum Messen der auf die Spindel ausgeübten Radialkräfte zugeordnet ist.

Drückwalzen ist ein Kaltumformen hohlzylindrischer Bauteile, bei dem mittels Drückwalzrollen, durch punktförmigen, schraubenlinig fortlaufenden Kraftangriff ein Teil der Rohrwanddicke in Rohrwandlänge abgestreckt wird. Der unter Druckkräfte radial verdrängte Werkstoff fließt über Scherbewegungen axial ab. Drückwalzmaschinen sind in der Regel mit zwei oder drei symmetrisch angeordneten Drückwalzrollen ausgestattet, die die relativ hohen Radialkräfte weitgehend in Balance halten sollen.

Bei richtig gewählten Werkzeuggeometrien und gut abgestimmten Prozeßdaten lassen sich durch Drückwalzen rohrförmige Werkstücke von außerordentlicher Präzision herstellen. Wanddickenabweichungen, beispielsweise innerhalb eines Querschnitts, können unter 0,01 mm gehalten werden.

Die relativ komplexen Umformabläufe während des Drückwalzens sind indes kaum einsehbar. Stimmen die Umformparameter, ist das Werkstück gut, weichen sie an irgendeiner Stelle vom Sollwert ab, sind die Auswirkungen erst am fertig umgeformten Bauteil erkennbar. Einen bestimmten Einblick in den momentanen Vorgang der Umformung lassen die an den einzelnen Drückwalzrollen auftretenden Kräfte zu. Werden sie gemessen, kann die Drückwalzumformung unmittelbar und kontinuierlich überwacht und gegebenenfalls korrigiert bzw. geregelt werden. Dabei ist es ausreichend, wenn nur eine der drei Kraftkomponenten erfaßt wird. Naheliegend ist das Messen der Radialkräfte. Der besseren Übersicht und Abstimmung wegen muß dazu jede Drückwalzrolle mit einer eigenen Meßeinrichtung ausgestattet sein.

Üblicherweise werden solcherart Kräfte mit Hilfe von Dehnmeß­ streifen (DMS) aufgenommen (DE 25 31 593 A1). Die durch die Kräfte am Objekt hervorgerufenen elastischen Verformungen werden dabei den isoliert am Objekt befestigten DMS übertragen und verändern deren elektrischen Widerstand. Ein daraus resultierender Spannungsabfall dient als Meßgröße der Kräfte.

Nach einer anderen gängigen Methode werden Kräfte mittels piezoelektrischen Fühlern gemessen. Hierbei wird der Effekt gewisser Kristalle genutzt, durch Druck oder Dehnungen in bestimmten Richtungen, elektrische Ladungen an den Enden ihrer polaren Achsen aufzubauen.

Zur Erfassung der Radialkräfte beim Drückwalzen sind beide Meßverfahren nicht besonders gut geeignet. Zum einen macht es Schwierigkeiten, sie an rotierenden Maschinenelementen, wie den Drückwalzrollen oder deren Spindeln anzubringen bzw. die Signale vom rotierenden auf den ruhenden Lagerteil zu über­ tragen. Zum anderen ist die Funktionsfähigkeit der beiden Systeme im rauhen Produktionsbetrieb über Dauer kaum gewähr­ leistbar. Bei der Kraftmessung mit piezoelektrischen Fühlern wären zudem die sehr hohen Kräfte beim Drückwalzen ein noch ungelöstes Problem.

Aus der US-PS 39 00 812 ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der radiale Umformkräfte in Drückwalzmaschinen über die Spindeln der Drückwalzrollen gemessen werden. Das bekannte Meßsystem basiert auf Sensoren, die im Lagergehäuse angeordnet sind und in Kontakt mit dem sationären Außenring des jeweiligen Kugellagers der Spindeln stehen. Die Meßsensibilität einer derartigen Meßanordnung läßt zu wünschen übrig, insbesondere, wenn die Drückwalzmaschine zur Herstellung von Werkstücken von außerordentlicher Präzision verwendet werden soll.

Aus der DE 24 17 055 B2 ist eine Meßmethode für radial beanspruchte Wellen entnehmbar, die eine höhere Meßgenauigkeit hat, die jedoch nur für stehende oder allenfalls in einem stark begrenzten Winkelbereich für schwenkbare Wellen vorgesehen ist. Dieses bekannte System ist aber nicht für rotierende Wellen verwendbar, da das freie Ende des innerhalb der Hohlwelle angeordneten Meßstabes mit einer Hebelstange fest verbunden ist, die andererseits mit einer gestellfesten Einrichtung verbunden ist. Eine Rotation des Meßstabes ist dabei nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung für Drückwalzmaschinen der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit der die Druckkräfte der Drückwalzrollen sehr genau und zuverlässig bestimmbar sind und die geeignet sind, bei rotierenden Baukomponenten angewendet zu werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Hierbei wird die Durchbiegung der Drückwalzrollenspindel gemessen. Grundgedanke dabei ist ein Meßstab, der mit der hohlgebohrten Drückwalzrollenspindel mittels Flansch- oder anderer Führungsfläche präzise verbunden ist und in koaxialer Position mit dieser umläuft. Die Verbindung des Meßstabs mit der Spindel erfolgt an der Stelle ihres größten Biegewinkels, die bei Einwirken der Drückwalzkräfte auftritt bzw. an der Stelle, die am Meßstabende die größte Auslenkung erzeugt. In Höhe des Meßstabendes sind im Gehäuse der Drückwalzrollenspindel Sensoren angebracht, die ständig den Abstand zum Meßstab berührungslos erfassen. Über die große Länge des Meßstabs, vom Ort der Befestigung bis zur Ebene, in der die Messung erfolgt, werden die relativ kleinen Durchbiegungen der Spindel zu exakt meßbaren Wegen vergrößert, die dann von den Sensoren reproduzierbar erfaßbar sind. Durch abnehmende Querschnitte, respektive Masse oder Trägheitsmomente des Meßstabs, ausgehend von seiner Einspannebene bis hin zur Ebene der Meßfühler, wird ein weitgehendst schwingungsfreies Rotieren des Meßstabs gewährleistet. Zusätzlich können passive oder aktive Dämpfungsmechanismen vorgesehen werden.

Die Vorteile des beschriebenen Meßsystems lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• - Die Kräfte werden relativ nahe dem Ort ihrer Entstehung auf­ genommen.
• - Die elastische Durchbiegung der Drückwalzrollenspindel ist weitgehend frei von störenden Reibungseffekten.
• - Die kleinen Verformungswege der Spindeldurchbiegung liegen im sicheren Bereich der Dauerbiegewechselfestigkeit. Irgend­ welche Veränderungen sind auch über viele Jahre nicht zu erwarten.
• - Die Übertragung der Spindeldurchbiegung auf den Meßstab bewirkt eine fehlerfreie Vergrößerung des Verformungsweges um den Faktor 5 bis 10 noch im rotierenden Bereich der Meß­ kette.
• - Die Übertragung des Verformungsweges auf ein statisches Maschinenteil, dem Referenz- oder Basispunkt, erfolgt über berührungslos arbeitende Wegaufnehmer.
• - Die gesamte Meßkette ist gekapselt und sicher geschützt vor Beschädigungen.
• - Die Nullposition des Meßsystems wird über zwei installierte Sensoren (Wegaufnehmer) abgesichert.
• - Das Meßsystem arbeitet völlig verschleißfrei, kommt ohne Klebeverbindungen aus und erfaßt die gesamte auftretende Kraft.
• - Das Meßsystem ist kostengünstig herstellbar und läßt sich bei ähnlichen Voraussetzungen und Anforderungen gleicher­ maßen vorteilhaft anwenden.

Als Abstandssensoren können optische, elektromagnetische und andere bekannte Sensoren verwendet werden. Auch die Auswertung erfolgt nach bekannten Verfahren, wobei die Übertragung der gemessenen Wegstrecke auf die Durchbiegungswegstrecke durch die Geometrie des Verbundes Meßstab-Spindel bestimmt wird. Über die Meßsignale und daraus resultierenden Auswertesignale kann ein - nicht mehr zur Erfindung gehörender - Regler ange­ steuert werden, der die Druckkraft der Drückwalzrollen beein­ flußt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Drückwalzmaschine.

In Fig. 2 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel.

Fig. 1. Auf dem Bett 1 kann ein Drückwalzrollenträger 2 axial bewegt werden. Über Motor 3 und Spindelkasten 4 erfahren Planscheibe 5, Drückwalzdorn 6 und Werkstück 10 eine Drehbe­ wegung. Der Spalt zwischen Drückwalzdorn 6 und Drückwalz­ rollen 9 legt die Rohrwanddicke fest, auf die die Ausgangs­ wanddicke des Werkstücks 10 während gleichzeitiger Rotation und Vorschubbewegung abgestreckt wird. Die Drückwalzrollen 9 werden mit der Spindel 8 fest verspannt, die ihrerseits im Lagergehäuse 7 drehbar gelagert sind. Die Rotation der Drück­ walzrollen erfolgt in der Regel über die Reibung der Umformung.

Fig. 2 zeigt eine im Lagergehäuse 7 beidseitig gelagerte Spindel 8. Die Spindel ist hohlgebohrt. Ein Meßstab 11 ist an einer Seite über Flansch- oder andere Führungsflächen fest und präzise mit der Spindel verbunden. Das andere Ende des Meßstabes ragt aus der Spindel hinaus und liegt mit seiner Meßebene in Höhe eines im Lagergehäuse 7 befestigten Sensors 12, der die Distanz bis zur Oberfläche des Meßstabs berührungslos mißt.

Eine radial auf die Drückwalzrolle wirkende Kraft F hat eine bestimmte Durchbiegung der Spindel zur Folge. Dadurch erfährt der Meßstab 11 gegenüber der Lagerachse eine Winkelauslenkung, die am sensorseitigen Ende des Meßstabs gemäß den vorliegenden Hebelgesetzen verstärkt wird. Da sich die Richtung der Kraft F nicht ändert, die Position des Sensors 12 dazu sich gleich­ falls nicht bewegt, bleibt die Richtung der Spindeldurch­ biegung vom ruhenden Betrachter aus ebenfalls unverändert. Die Spindel selbst ist ständig Umlaufbiegewechseln ausgesetzt. Auslenkungswege und Auslenkungsrichtung sind mit dem Buch­ staben x bezeichnet.

In Fig. 3 ragt die Spindel 8 einseitig aus dem Lagergehäuse heraus. Die Drückwalzrolle ist auf diesem herausragenden Spindelende befestigt. Das Meßverfahren arbeitet in gleicher Weise wie vorher beschrieben. Die Richtung des Ausschlags am sensorseitigen Ende des Meßstabs ist um 180° versetzt.

Fig. 4 zeigt das Meßsystem am Beispiel einer Gegenrollen- Drückwalzmaschine, wobei die Bezugsziffern aus den Fig. 1 bis 3 für gleiche Bauteile übernommen wurden.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Messen der radialen Umformkräfte bei Drückwalzmaschinen, deren Drückwalzrollen (9) auf Spindeln (8) befestigt sind, die ihrerseits in einem feststehenden Lagergehäuse (7) drehbar gelagert sind, wobei der jeweiligen Spindel eine Meßeinrichtung zum Messen der auf die Spindel ausgeübten Radialkräfte zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindeln (8) hohl ausgebildet sind und daß koaxial im Hohlraum der Spindeln jeweils ein Meßstab (11) drückwalzenrollenseitig mit der Spindel (8) fest verbunden ist, dessen anderes Ende aus der Spindel herausragt und einem im Lagergehäuse (7) befestigten Sensor (12) eines berührungslos arbeitenden Meßsystems gegenübersteht, das derart ausgelegt ist, daß trotz Rotation der Hauptübertragungselemente von Drückwalzrolle (9), Spindel (8) und Meßstab (11) die Radialkraft (F) quasi statisch erfaßbar ist, im Rotationssystem als quasi statische Auslenkung (X) umwandelbar ist und daß die Lagerung der Spindeln (8) in Pendelrollenlagern erfolgt, die im Umlaufbiegewechsel der Spindeln nicht wesentlich behindern und unzulässig hohe Kantenpressungen bei den Durchbiegungen der Spindeln verhindern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindeln (8) so ausgebildet sind, daß die im Wirkungsbereich der Radialkräfte liegenden Querschnitte der Spindeln registrierbare, elastische Durchbiegungen über den gesamten zu messenden Radialkraftbereich zu­ lassen und daß die Spindeln in den Bereichen maximaler Umlaufbiegespannungen auf Dauerfestigkeit ausgelegt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßstab (11) von seiner Einspannebene ausgehend abnehmende Querschnitte, Maße oder Trägheitsmomente aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (11) mit passiven oder aktiven Dämpfungsmechanismen ausgestattet ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Spindel jeweils mehrere Sensoren (12) zugeordnet sind.