Schnelles Rüsten beim Walzprofilieren

Schnelles Rüsten beim Walzprofilieren

 

Problemstellung

Bei der Herstellung profilförmiger Massenprodukte ist das Walzprofilieren als hochproduktives Verfahren etabliert. Einsatzgebiete finden sich beim Walzprofilieren in vielen Industrie- und Produktionsbereichen, wie z.B. der Automobil- und Möbelindustrie und dem Schiffsbau. Walzprofilierte Bauteile sind weiterhin Bestandteile in Eisenbahnwagen, im Bauwesen (Leitplanken) und sogar in herkömmlichen Lampen. Der Variantenvielfalt der Bauteilform sind dabei fast keine Grenzen gesetzt.

Walzprofilieranlagen bestehen aus einer Vielzahl von Gerüsten bzw. Umform-stationen. In diesen Gerüsten werden die benötigten Umformrollen gelagert und ggf. angetrieben. Aus der großen Anzahl von Gerüsten und so auch Rollen resultiert eine Vielzahl von Ein- und Verstellmöglichkeiten. Diese große Auswahl einstellbarer Parameter führt oft zu Fehlern in der Werkzeugauslegung und letztendlich am Bauteil, was zu langen Rüstzeiten und erhöhten Herstellkosten führt. Die [Abbildung 1] zeigt ein Beispielgerüst mit möglichen Verstellparametern.

Abbildung 1: Verstellmöglichkeiten einer Walzprofilieranlage
Abbildung 1: Verstellmöglichkeiten einer Walzprofilieranlage

Obwohl die Einzelgerüste scheinbar einfach aufgebaut sind, reagiert die gesamte Anlage sehr sensitiv auf Positions- und Geometriefehler der einzelnen Rollen. Insbesondere ist das Verhalten der Anlage und das genaue Bestimmen der Rollenposition unter Last ein weitgehend unerforschtes Gebiet. Der Einfluss der Verstellmöglichkeiten auf das Gesamtsystem lässt sich am Beispiel der Rohrherstellung verdeutlichen [Abbildung 2]. Ein Rohr hat im Idealfall einen symmetrischen Wanddickenverlauf. Dieser Idealfall entspricht den Ergebnissen aus der FE-Simulation (Soll-Zustand). Der tatsächliche Wanddickenverlauf (Ist-Zustand) zeigt jedoch starke Asymmetrien auf.

Abbildung 2: Wanddickenverlauf aus der Simulation (links) und eines real profilierten Rohres (rechts)
Abbildung 2: Wanddickenverlauf aus der Simulation (links) und eines real profilierten Rohres (rechts)

Als Ursache für die Abweichung zwischen dem idealen und realen Ergebnis sind Verstellungen an einzelnen Gerüsten, aufgrund der verursachten Belas-tung, verantwortlich. Diese Fehlstellungen sind in der Regel aber nicht detektierbar. Aus diesem Grund gestaltet sich die Fehlersuche als schwierig und zeitaufwändig. Bis heute beruhen die Einstellarbeiten und die Fehlersuche im Wesentlichen auf einer erfahrungsbasierten Vorgehensweise. Diese stößt an Grenzen, weil die Komplexität von Produkten und Anlagen stetig weiter ansteigt. Der zunehmende Einsatz höchstfester Stahlwerkstoffe erhöht diese Anforderungen zusätzlich. Der Bedarf für eine umfassende Prozessüberwachung und schnelle Detektierung der Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Zustand ist daher groß. Optische Messverfahren können hier einen entscheidenden Beitrag leisten.

Zielsetzung

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen in einem Industriearbeitskreis, bestehend aus mehreren Profilherstellern, einem Anlagenhersteller, einem Hersteller kaltgewalzter Stahlbänder und dem Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, durch den Einsatz neuer prozessintegrierter optischer Technologien und Methoden die Vorlauf- und Rüstzeiten des Walzprofilierprozesses deutlich reduziert werden. Dadurch kann innerhalb der Walzprofilierindustrie der Wettbewerbsnachteil in Form langer Rüstzeiten verringert und so die Auslastung der Anlagen deutlich gesteigert werden.

Hierzu müssen die lokalen Umformzonen und die Kontaktkraftverteilungen an jeder einzelnen Rolle erfasst und untersucht werden. Das Blech dient dabei als Signalgeber. Die [Abbildung 3] zeigt eine strukturierte Blechoberfläche vor und nach einer Profilierung. Die Abdrücke der Rollen sind nach dem Umformprozess deutlich erkennbar.

Abbildung 3: strukturierte Blechoberfläche vor (links) und nach dem Profilieren (rechts)
Abbildung 3: strukturierte Blechoberfläche vor (links) und nach dem Profilieren (rechts)

Der hier verfolgte Ansatz ist die optische Erfassung und Auswertung der Oberflächenfeingestalt. Die Kontaktbereiche der Werkzeuge hinterlassen Spuren auf der Oberfläche, welche erfasst werden können. Durch die optische Erfassung der Blechoberfläche beim Durchlaufen der Anlage können Störungen gezielt lokalisiert und behoben werden. Die Auswertungen werden mit den Ergebnissen aus der FE-Simulation verglichen, um so auftretende Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Zustand zu ermitteln. Eine systematische Vorgehensweise zur Verringerung dieser Abweichungen soll die Umsetzung der erarbeiteten Technologien in den Profilierbetrieben ermöglichen.

Vorgehensweise

Zum Erreichen der definierten Ziele soll im Rahmen dieses Projektes ein in [Abbildung 4] dargestellter Versuchsaufbau, bestehend aus Profilier- und Messstrecke, konzipiert werden. Der Aufbau dieser Versuchsstrecke findet an der institutseigenen Walzprofilieranlage Dreistern statt [Abbildung 5].

Abbildung 4: geplanter Versuchsaufbau an der Walzprofilieranlage
Abbildung 4: geplanter Versuchsaufbau an der Walzprofilieranlage
Abbildung 5: Dreistern Walzprofilieranlage am PtU Darmstadt
Abbildung 5: Dreistern Walzprofilieranlage am PtU Darmstadt

Eine vorausgehende Recherche auf dem Markt verfügbarer Sensoren und Auswertemöglichkeiten soll für diesen Anwendungsfall geeignete Oberflächenmesssysteme aufzeigen. Die ausgewählte potentielle Sensorik soll im Rahmen des Projektes untersucht, implementiert und qualifiziert werden. Hierzu wird ein Hilfsrahmen mit einer verfahrbaren und schwenkbaren oberen Achse konzipiert, der nach einem Profiliergerüst auf der Anlage angeordnet werden soll. Der optische Sensor wird an dieser Traverse befestigt und erfasst die Blechoberfläche quer zur Profilierrichtung unmittelbar nach Verlassen des Gerüstes.

Abbildung 6: Prinzip der Oberflächenauswertung
Abbildung 6: Prinzip der Oberflächenauswertung

Aus der Einformung eines einfachen symmetrischen U-Profils und eines asymmetrischen komplexeren Profils sollen Ergebnisse bzw. Erkenntnisse abgeleitet werden, die grundlegende Zusammenhänge zwischen Oberflächeneinebnung und herrschender Kontaktnormalspannungsverteilung liefern.

Letztendlich sollen mögliche Störgrößen später online im Prozess nach jedem Gerüst mittels optischer Auswertung der Blechoberfläche erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

AVIF-Projekt