DE4329051A1

DE4329051A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, des Durchmessers und der Länge während der kontinuierlichen Herstellung von metallischen und nichtmetallischen Produkten, insbesondere Drähten und Monofilamenten

Info

Publication number: DE4329051A1
Application number: DE4329051A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Loske; Juergen Lenkeit
Original assignee: PEG INGENIEURBUERO fur PROJEK
Current assignee: PEG INGENIEURBUERO fur PROJEK
Priority date: 1993-08-28
Filing date: 1993-08-28
Publication date: 1995-03-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, des Durchmessers und der Länge während der kontinuierlichen Herstellung von metallischen und nichtmetallischen Produkten, insbesondere von Drähten, Monofilamenten und dergleichen.

Es ist bekannt, daß zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Drähten aus Kupfer, Aluminium oder Eisen mit verschiedenen Kohlenstoffanteilen das Dehnungsverhalten nach dem Herstellungsprozeß (Drahtzug) gemessen wird. Hierbei wird in der Regel die Verlängerung des Drahtes im Zugversuch ermittelt. Gefügeveränderungen, die durch den Umformungsprozeß entstehen, führen bei den meisten metallischen Werkstoffen zur Verfestigung bzw. Versprödung. So z. B. wird bei der Herstellung von Kupfer drähten dieser Erscheinung durch einen in das Herstellungs verfahren integrierten Glühprozeß (Gefügenormalisierung) entgegengewirkt.

Ebenfalls ist bei der Herstellung von Monofilamenten aus Kunststoffen nach dem Extrusionsverfahren für die Seil- oder Textilherstellung das Dehnungsverhalten des Produktes von besonderer Bedeutung. Durch eine Vielzahl von Prozeßparametern wie z. B. Schmelzetemperatur, Kühlmittel temperatur, Reckverhältnis oder auch durch Chargen schwankungen des Rohstoffs können Veränderungen der mechanischen Produkteigenschaften hervorgerufen werden. Auch hierbei gibt erst ein Zugversuch an dem fertigen Produkt eine Aussage über die genauen mechanischen Eigenschaften.

Diese Untersuchungen zur Beurteilung der Produkteigen schaften können jedoch nur an Laborprüfmaschinen ermittelt werden. Es ist hierbei von Nachteil, daß die Produkteigen schaften nicht direkt an der Produktionsanlage verfügbar sind. So gestaltet sich zum Teil die Optimierung der Einstellung der Produktionsanlage beim Anfahren der Anlage als zeit- und kostenintensiv. Bei Abweichungen während des Herstellungsprozesses kann in vielen Fällen nur durch eine Stichprobenkontrolle eine Abweichung bzw. Verschlechterung der Eigenschaftswerte des Produktes erkannt werden. Ebenfalls ist eine lückenlose Qualitätsdokumentation, besonders wenn das Produkt auf größere Gebinde aufgewickelt wird, nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher vor allem die Aufgabe zu Grunde, ein Verfähren darzustellen, mit dem während der konti nuierlichen Herstellung von metallischen und nichtmetal lischen Produkten, insbesondere von Drähten, Monofilamenten und dergleichen, die mechanischen Eigenschaften aufgezeigt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Geschwindigkeit des kontinuierlich gefertigten Produktes an zwei Positionen am Ausgang der Herstellungsanlage vor der Abzugseinrichtung gemessen wird. Ebenfalls wird zwischen diesen beiden Positionen die Zugkraft gemessen, die z. B. über eine Abzugseinrichtung aufgebracht wird.

In frei wählbaren Zeitabständen wird für eine bestimmte Zeitdauer T1 an der ersten Meßposition der Geschwindigkeit durch eine Abbremsung des Produktes eine zusätzliche Zugkraft in das Produkt eingeleitet. Da sich das Produkt, wie in der nachfolgenden Vorrichtungsbeschreibung näher ausgeführt, ohne Schlupf zu den Meßeinheiten für die Geschwindigkeitsmessung bewegt, wird durch diese zusätz liche Zugkraft eine entsprechend dem Elastizitätsverhalten des Werkstoffes sich einstellende Produktverlängerung gemessen.

Die zusätzlich aufgebrachte Zugkraft wird so gewählt, daß sich im Produkt eine Dehnung im elastischen Deformations bereich einstellt. Somit kann durch eine zerstörungsfreie Prüfmethode während des Herstellungsprozesses durch die Ermittlung der im Produkt vorliegenden Zugkraft und der durch ein Abbremsen des Produktes eingeleiteten Dehnung der Elastizitätsmodul des Werkstoffs berechnet werden.

Wird das Produkt schlupffrei an den Geschwindigkeits meßstellen jeweils über eine Zählrolle 1 und eine Zählrolle 2, die sich in ihren Durchmessern unterscheiden, geführt, so kann der Durchmesser des Produktes zunächst wie folgt ermittelt werden:

1) V = W₁ _* = W₁ _* (D₁ + D_p)/²

mit V = Lineargeschwindigkeit des Produktes
W₁ = Winkelgeschwindigkeit der Zählrolle 1
R₁ = mittlerer Radius "Zählrolle 1 + Produkt"
D₁ = Durchmesser der Zählrolle 1
D_p = Durchmesser des Produktes.

Dies entspricht der Umfangsgeschwindigkeit eines Punktes auf der Mittelachse des Produktes auf der Zählrolle 1 und somit der Lineargeschwindigkeit des gleichen Punktes beim Eingang und Ausgang in das Meßsystem, wenn keine zusätzliche Zugkraft durch das Abbremsen der Zählrolle 1 in das Produkt eingeleitet wird.

2) V = W₂ _* = W₂ _* (D₂ + D_p)/²

mit W₂ = Winkelgeschwindigkeit der Zählrolle 2
R₂ = mittlerer Radius "Zählrolle 2 + Produkt"
D₂ = Durchmesser der Zählrolle 2.

Aus den Gleichungen 1) und 2) für die Umfangsgeschwindig keiten an den Zählrollen 1 und 2 folgt für den Durchmesser des Produktes:

3) D_p = (W₂ _* D₂ - W₁ _* D₁)/(W₁ - W₂).

Die Länge des Produktes ergibt sich, gemessen an der Zähl rolle l, für die Produktionsdauer wie folgt:

4) L = V _* T

mit L = Produktlänge
T = Produktionszeit
mit Gleichung 1) folgt

5) L = [W₁ _* (D₁ + D_p)/²] _* T

Für die Berechnung des Elastizitätsmoduls gilt das Hooke′sche Gesetz mit

6) σ = E _* ε oder E = σ/ε

mit σ = Zugspannung im Produkt
E = Elastizitätsmodul
ε = Dehnung des Produktes

7) σ = ΔF/(π _* D²_p/⁴)

mit ΔF = durch die Abbremsung zusätzlich aufgebrachte Zugkraft im Produkt

8) ε = ΔL/L₂

mit ΔL = Produktverlängerung durch die über die Abbremsung zusätzlich aufgebrachte Zugkraft während der Meßdauer T1, gemessen als Längendifferenz zwischen Zählrolle 1 u. 2
L₂ = Produktlänge des während der Meßdauer T1 über die Abbremsung verlängerten Produktes gemessen an der Zählrolle 2.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine Vorrichtung, welche aus zwei Zählrollen mit inkrementalen Drehgebern, einer elektrisch ansteuerbaren Bremse, einem Zugkraftmeßwert aufnehmer und einer Rechnereinheit mit einer Schnittstelle zur Steuerung der Produktionsanlage besteht, zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, des Durchmessers und der Länge während der kontinuierlichen Herstellung von metallischen und nichtmetallischen Produkten geschaffen werden.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend noch näher erläutert werden.

Auf den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Systemdarstellung der Meßvorrichtung,

Fig. 2 die Vorderansicht der Meßvorrichtung und

Fig. 3 die Vorderansicht der Rechnereinheit.

Bei dieser Vorrichtung wird das zu messende Produkt (1) ein- oder mehrfach um die Zählrolle 1 (2) geschlungen, über die Meßrolle (4) des Zugkraftmeßwertaufnehmers (3) geführt und wiederum ein- oder mehrfach um die Zählrolle 2 (5) gelegt. Die Anzahl der Umschlingungen an den Zählrollen 1 und 2 (2, 5) wird so gewählt, daß das Produkt (1) schlupf frei über die Rollen geführt werden kann.

Während der Produktion werden die Drehzahlen der Zählrollen 1 und 2 (2, 5) über die zugehörigen inkrementalen Drehgeber (14, 7) gemessen. Gleichzeitig wird die Zugkraft im Produkt (1) über den Zugkraftmeßwertaufnehmer (3) ermittelt. Diese Zugkraft beruht auf der Kraft die von dem Abzug der Produktionsanlage und auf der Gegenkraft, die über die Produktionsanlage aufgebracht wird. Die Zählrollen 1 und 2 (2, 5) laufen praktisch reibungslos in einer wartungsfreien Lagereinheit.

Während der Meßdauer T1 wird über die elektrisch ansteuer bare Bremse (6), die über eine gemeinsame Achse mit dem Drehgeber (14) auf die Zählrolle 1 (2) wirkt, die Zählrolle 1 (2) gegenüber der Zählrolle 2 (5), d. h. gegenüber dem Aufwickelsystem der Produktionsanlage, in einer regelbaren Intensität abgebremst. Die durch diese Abbremsung hervor gerufene Dehnung wird über die Drehimpulsänderung der Zählrolle 2 (5) gemessen.

Die Zugkraftänderung, die sich infolge der Abbremsung der Zählrolle 1 (2) bei kontinuierlichem Abzug des Produktes (1) einstellt, wird über den Zugkraftmeßwertaufnehmer (3) gemessen.

Der Meßvorgang wird in ebenfalls wählbaren kleinsten Zeit intervallen wiederholt und führt somit zu einer kontinu ierlichen Aussage über den Elastizitätsmodul des gefertigten Produkts.

Da der Durchmesser der z. B. keramikbeschichteten Zählrollen 1 und 2 (2, 5), auf denen das Produkt (1) abläuft, mit äußerster Präzision gefertigt ist, kann über die Drehimpulse der inkrementalen Drehgeber (14, 7) der Durchmesser des Produktes (1) mit hoher Genauigkeit berechnet werden.

Die Zählrollen 1 und 2 (2, 5) und der Zugkraftmeßwertauf nehmer (3) sind in einer kompakten und robusten Einheit, die auch für den härtesten Produktionseinsatz geeignet ist, auf einer Aufnehmerplatte (8) befestigt. Die Vorrichtung kann in beliebigen Positionen in eine Produktionsanlage integriert werden.

Der Rechner (9) ist z. B. gemeinsam mit einem Tastaturfeld (10) und einem Monitor (11) in einem 19′′-Einschubrahmen (12) eingebaut und kann somit in die Steuerung der Produk tionsanlage integriert werden. Über eine Schnittstelle (13) können die Werte des Elastizitätsmoduls, des Produkt durchmessers und die Produktionslänge zur Ansteuerung bzw. zur Regelung der Produktionsanlage herangezogen werden.

Über ein in den Rechner integriertes elektronisches Speichermedium können die ermittelten Elastizitätsmodul- und Durchmesserwerte mit der Zuordnung zur Produktionslänge und zuvor in den Rechner eingegebener administrativer Daten gesichert und dokumentiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, des Durchmessers und der Länge während der kontinuierlichen Herstellung von metallischen und nichtmetallischen Produkten, insbes. Drähten, Monofilamenten und dergl., dadurch gekennzeichnet, daß auf das Produkt (1) während der Herstellung eine definierte mechanische Belastung im elastischen-Bereich seines Werkstoffes aufgebracht wird und die als Verlängerung gemessene Dehnung des Produktes (1) zur Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte mechanische Belastung des Produktes im elastischen Bereich seines Werkstoffes, sowie die Berechnung des Elastizitätsmoduls während der Herstellung in frei wählbaren Zeitintervallen wiederholt vorgenommen werden.

3. Verfähren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der für die Elastizitätsmodulbestimmung verwendeten Einheit ebenfalls der Durchmesser des Produktes (1) während der Herstellung exakt gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der für die Elastizitätsmodul- und Durchmesser bestimmung verwendeten Einheit ebenfalls die Fertigungs länge des Produktes (1) während der Herstellung exakt gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Veränderungen der ermittelten Elastizitätsmodul- und Durchmesserwerte in die Steuerung bzw. den Regelungs prozeß der Herstellungsanlage derart eingegriffen wird, daß die Veränderungen der Werte wieder rückgängig gemacht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die berechneten Elastizitätsmodul- und Durchmesserwerte für eine kontinuierliche Dokumentation der Produkteigen schaften festgehalten werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, für ein kontinuierlich gefertigtes Produkt (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Produktes (1) während der Herstellung an einer Zählrolle 1 (2) und einer Zählrolle 2 (5) über eine Drehzahlmessung mit inkrementalen Drehgebern (14, 7) ermittelt wird und die Zugspannung, die auf das Produkt einwirkt, mit einem Zugkraftmeßwertaufnehmer (3) gemessen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in das Produkt (1) über die Zählrolle 1 (2) z. B. mit einer elektrisch ansteuerbaren Bremse (6), die über eine gemein same Achse mit dem Drehgeber (14) auf die Zählrolle 1 (2) wirkt, eine wählbare Zugkraft für eine variable Zeitdauer eingeleitet werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung des Produktes (1) in einem Rechner (9) aus den über die inkrementalen Drehgeber (14, 7) und dem Zugkraftmeßwertaufnehmer (3) erhaltenen Werten der Elastizitätsmodul des Werkstoffs und der Durchmesser des Produktes errechnet werden und gemeinsam mit der gefer tigten Produktionslänge für weitere Auswertungen abge speichert werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung des Produktes (1) die in dem Rechner (9) ermittelten Werte des Elastizitätsmoduls und des Durchmessers in Form von Steuersignalen über eine Schnittstelle (13) zur Ansteuerung und Regelung der Produktionsanlage weiter gegeben werden können.