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TrifleX Sensor - Innovation für Mehrstufenpressen

Methoden der prozessintegrierten Risserkennung in der Kaltumformung

Von Dr.-Ing. Thomas Terzyk, Dipl.-Ing. Ferdinand Oppel und Oliver Locher

Der innovative TrifleX-Mess-Sensor von BRANKAMP ermöglicht eine verbesserte Inprozesskontrolle – etwa bei der Erkennung von Materialrissen in Mehrstufenpressen.

Die zunehmende Komplexität und der Trend zur Leichtbauweise führen bei kalt umgeformten Bauteilen zu immer höheren Umformgraden. Damit wird das Formänderungsvermögen des Werkstoffs für aufwendige Bauteilgeometrien immer häufiger bis an seine Grenzen ausgenutzt. Bedingt durch Schwankungen der Material- und Werkzeugeigenschaften tritt deshalb bei derartigen Bauteilen ein erhöhtes Risiko zur Rissbildung auf. Risse an Formteilen stellen bei anspruchsvollen Werkstücken ein häufiges, zufällig auftretendes Versagenskriterium dar, das nur durch eine 100% Kontrolle sämtlicher produzierten Werkstücke erkannt werden kann. Neben der Möglichkeit den Draht online beim Einlaufen in die Maschine auf Rissfreiheit zu prüfen (Wirbelstromprüfung) oder die Bauteile im Anschluss an die Fertigung durch optische bzw. multisensorielle Sortieranlagen zu überprüfen, bietet die Weiterentwicklung von prozessintegrierten Überwachungsmethoden eine effektive Möglichkeit, rissbedingte Qualitätsmängel bereits bei der Herstellung der Produkte zu erkennen. Dazu ist eine wesentliche Verbesserung der Überwachungsgenauigkeit von Prozessüberwachungssystemen erforderlich, um derartige, geringfügige Qualitätsmängel am Bauteil zu erkennen. Zusätzlich müssen geeignete Sortiereinrichtungen an der Maschine vorhanden sein, um der drohenden Verringerung der Produktivität bei entsprechend verbesserter Überwachungsgenauigkeit entgegen zu wirken. Eine solche Methode und die Auslegung eines Prozessüberwachungssystem basierend auf der Messung prozessbedingter Signale (Presskräfte bzw. Körperschall) werden in diesem Beitrag vorgestellt. Grundsätzlich können Risse an kalt umgeformten Bauteilen durch verschiedene Ursachen entstehen. Bereits das verwendete Material kann durch fehlerhafte Vorbehandlung, Einschlüsse im Material oder verschlissene Ziehsteine Risse aufweisen. Werden derartige Abschnitte den einzelnen Umformstufen zugeführt, besteht bereits vor der Umformung ein Riss im Werkstoff, der je nach Position und Länge bei der Umformung vergrößert oder auch wieder geschlossen werden kann. Neben „materialbedingten Rissen“ können durch den Scherprozess Risse an den Stirnflächen des Drahtabschnitts entstehen, die somit ebenfalls zu bereits vorgeschädigten Abschnitten führen. Derartige Schädigungen werden grundsätzlich am Kopf oder Ende des Pressteils sichtbar sein und gehören zur gleichen Fehlerklasse, die bereits vor dem Umformen im Material enthalten sind. Risse, die sich während des Pressvorgangs bilden, entstehen durch hohe Scher- und Druckbeanspruchung des Materials z.B. beim Aufstauchen des Materials oder Einsenken des Innenangriffs. Bei solchen Defekten handelt es sich in der Regel um Oberflächenrisse, die sich als Längs-, Quer- oder Schubrisse ausbilden können. Diese Fehler werden durch den Umformprozess im Pressteil verursacht und weisen darauf hin, dass das Formänderungsvermögen des Materials überschritten wurde.

Ein solcher Riss ist eine Gefügetrennung entlang der Korngrenzen oder durch das Innere von Kristallen, er kann auch nichtmetallischen Einschlüssen folgen. Umformbedingte Rissbildung entsteht somit bei Schwankungen der Materialeigenschaften oder Geometrieabweichungen des Rohlings aus den vorhergehenden Umformstufen. Ein gerissenes Bauteil führt zu einem abweichenden Materialfluss während der nachfolgenden Umformung, wodurch die benötigten Umformkräfte beeinflusst werden können. Werden Pressteile nach der Umformung noch einer Härtebehandlung unterzogen, können zusätzlich zu den vorher beschriebenen Rissarten noch Härterisse am Bauteil entstehen. Prozessintegriert kann ein solcher Qualitätsmangel ausschließlich durch nachfolgende Umformoperation z.B. beim Gewindewalzen detektiert werden. Hierzu wird im Beitrag eine zweite prozessintegrierte Messmethode vorgestellt, die gerissene Bauteile im Gewindebereich durch akustische Messgrößen erkennbar macht. Grundsätzlich ist bei der geometrischen Ausprägung von Rissen zwischen Mikrorissen, die nur optischen Hilfsmitteln sichtbar gemacht werden können und Makrorissen, die mit dem bloßen Auge sichtbar sind, zu unterschieden. Im Folgenden sollen ausschließlich Defekte betrachtet werden, die ohne zusätzliche Hilfsmittel sichtbar sind. Gemäß DIN EN 26157-Teil 1 und 3 in denen Oberflächenbeschädigungen von Schrauben (Gewindedurchmesser > 5 mm) genormt sind, ist für die Relevanz eines Risses, seine Risstiefe, die Risslänge, die Anzahl der Risse am Bauteil sowie seine Position am Pressteil entscheidend. Ob ein Pressteil somit als Ausschuss anzusehen ist, ist somit wesentlich von den Vereinbarungen zwischen dem Hersteller und seinem Abnehmer abhängig. Prozessüberwachungssysteme in der Kaltumformung haben in den letzten Jahren einen rasanten Entwicklungsschub genommen. Bedingt durch immer leistungsfähigere Prozessoren können umfassendere und weitergehende Auswertealgorithmen eingesetzt werden. Um jedoch die geringfügigen Kraftveränderungen im Falle einer Rissbildung messtechnisch erfassen und auflösen zu können, muss die gesamte Signalverarbeitungskette modifiziert und optimiert werden. Standardpositionen von Kraftsensoren (Variosonden) an Mehrstufenpressen befinden sich bei den meisten Maschinenherstellern in den Druckplatten hinter den Keilen der einzelnen Werkzeugstufen. An diesen Messorten ist prinzipiell ein Übersprechen aus den benachbarten Umformstufen möglich, so dass geringfügige Veränderungen der Umformkräfte durch eine Beeinflussung aus den Nachbarstufen überdeckt werden können. Aus diesem Grund müssen vorzugsweise prozessnähere Messorte zur Risserkennung verwendet werden, die weitestgehend unabhängig sind von der gegenseitigen Beeinflussung einzelner Umformstufen. Der nächstmögliche, stufenbezogene Messort an Mehrstufenpressen ist die Integration von Presskraftsensoren in die Stellkeile. Mit dieser Position kann ein Kompromiss aus Prozessnähe einerseits und einer den Werkzeugwechsel nur geringfügig beeinflussenden Kabelabführung anderseits erreicht werden. Bedingt durch den Verstellbereich der Keile ist für diesen Messort eine Sensorform erforderlich, die den gesamten Verstellbereich des Keils ohne Veränderung der Sensorempfindlichkeit abdeckt. Die anschließende Signalaufbereitung im Ladungsverstärker muss in der Lage sein, den extrem hohen Dynamikbereich der Presskräfte (rissbedingte Signalveränderungen können bereits bei geringen Presskräften im Vergleich zur Maximalkraft auftreten) störungsfrei zu verstärken. Die anschließende Filterung der Presskräfte ist an die kurzfristigen Signalveränderungen, die im Falle einer plötzlichen Rissbildung entstehen, anzupassen. Werden die Prozesssignale entsprechend vorverarbeitet, kommt der anschließenden Analog-/Digital-Wandlung wesentliche Bedeutung zu, da hiermit die Signalauflösung der gemessenen Presskräfte festgelegt wird. Herkömmliche Überwachungssysteme arbeiten mit 12 Bit Auflösung (4096 Digitalisierungsstufen) während das im Folgenden vorgestellte PÜ-Gerät bereits einen A/D-Umsetzer mit 24 Bit verwendet (16.777.216 Digitalisierungsstufen). Durch den Einsatz dieser neuartigen, hochauflösenden Messtechnik werden im Bereich der Presskraftmessung Signalabschnitte messbar, sichtbar und überwachbar, die bei bisherigen PÜ-Systemen unerkannt geblieben sind.

Fortsetzung im nächsten Journal.

 

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