DE3728313A1 - Einrichtung zum messen der radialen umformkraefte beim drueckwalzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der radialen Umformkräfte bei Drückwalzmaschinen, deren Drück­ walzrollen auf Spindeln befestigt werden, die ihrerseits in einem feststehenden Lagergehäuse drehbar gelagert sind.

Drückwalzen ist ein Kaltumformen hohlzylindrischer Bauteile, bei dem mittels Drückwalzrollen, durch punktförmigen, schraubenlinig fortlaufenden Kraftangriff ein Teil der Rohr­ wanddicke in Rohrwandlänge abgestreckt wird. Der unter Druck­ kräfte 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 Werk­ stücke von außerordentlicher Präzision herstellen. Wanddicken­ abweichungen, 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 Drück­ walzumformung 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. 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung für Drückwalzmaschinen der eingangs genannten Art zu ent­ wickeln, 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 Drückwalzrollen­ spindel Sensoren angebracht, die ständig den Abstand zum Meß­ stab berührungslos erfassen. Über die große Länge des Meß­ stabs, 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 Meß­ stabs, 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 1 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 (9)

1. Einrichtung zum Messen der radialen Umformkräfte bei Drückwalzmaschinen, deren Drückwalzrollen (9) auf Spindeln (8) befestigt werden, die ihrerseits in einem feststehenden Lagergehäuse (7) drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindeln (8) hohl ausge­ bildet sind und daß koaxial im Hohlraum der Spindeln, an der Stelle ihres größten Biegewinkels, ein Meß­ stab (11) fest mit der Spindel verbunden ist, dessen anderes Ende einem im Lagergehäuse (7) befestigten Sensor (12) gegenübersteht.

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, daß des weiteren die Lagerungen der Spindeln deren maximal auftretbare Durchbiegungen nicht behindern, und daß die Spindeln in den Bereichen maxi­ maler Umlaufbiegespannungen auf Dauerfestigkeit ausge­ legt sind, daß das freie Ende des jeweiligen Meß­ stabes (11) aus der Spindel herausragt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßstab (11) drückwalzrollenseitig mit der Spindel (8) fest verbunden und so ausgestaltet ist, daß er dort den Winkel der Durchbiegung aufnimmt und am gegenüberliegenden Ende des Meßstabs (11) eine über Meßstablänge merklich vergrößerte Auslenkung (x) dem Sensor (12) zur Meßwegerfassung anzeigt.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Meßkette trotz Rotation der Hauptübertragungselemente von Drück­ walzrolle (9), Spindel (8) und Meßstab (11) die Radial­ kraft (F) quasistatisch erfaßbar ist, im Rotationssystem als quasistatische Auslenkung (x) umwandelbar und von einem statisch im Lagergehäuse (7) angebrachten Sensor (12) in Form einer Abstandsbestimmung kontinuierlich meßbar ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstab (11), von seiner Einspannebene ausgehend, abnehmende Querschnitte, Masse oder Trägheitsmomente aufweist.

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

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Meß­ stab (11) und Sensor (12) mittels berührungslos arbeiten­ der Meßsysteme erfaßt wird.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung von mehreren Sensoren (12) erfaßt wird und die Funktionsfähigkeit des Systems sich dadurch selbst überwacht.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der Spindeln (8) vorzugsweise in Pendelrollenlagern erfolgt, die die Umlaufbiegewechsel der Spindeln nicht wesentlich be­ hindern und unzulässig hohe Kantenpressungen bei den Durchbiegungen der Spindeln verhindern.