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Entwicklung eines sensorlosen Systems zur Überwachung der Kühlschmierung für die Massivumformung

Status abgeschlossen
Ziele

1. Aufbau und Inbetriebnahme einer Kühlschmiereinrichtung für unterschiedliche Sprühdüsen
Ziel des Projekts war die Durchführung von grundlegenden Untersuchungen der Sprühkegelausbildung und der zugrunde liegenden Zusammenhänge. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieses Projektes zunächst ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut. Für die Charakterisierung des Sprühnebels wurde der Versuchstand für Airlessdüsen ausgelegt. Somit ist gewährleistet, dass der Anteil an Luft im Sprühnebel lediglich von den einzustellenden Parametern Druck und Dauer des Schmiermittels sowie von der verwendeten Airlessdüse abhängig ist. Eine reproduzierbare Einstellung der Parameter und somit der Zusammensetzung des Sprühnebels aus den Anteilen Wasser und Schmiermittel mit Luft kann somit gewährleistet werden. Der Einsatz unterschiedlicher Sprühdüsengeometrien ist somit realisierbar. Darüber hinaus ist die Möglichkeit zur Erweiterung auf ein breites Spektrum unterschiedlicher Sprühkopfgeometrien sowie unterschiedlicher Sprühkopfvarianten, wie z.B. luftunterstützte Plattensprühköpfe, gegeben.

2. Konstruktion und Gegenüberstellung verschiedener Konzepte zur Sprühfeldüberwachung
Für die spätere Ableitung und Konstruktion eines Sprühüberwachungssystems für die Warmmassivumformung wurde eine grundlegende Gegenüberstellung von Systemen zur Überwachung von Sprühfeldern benötigt. Dafür wurden Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien im Labormaßstab umgesetzt. Im Einzelnen wurden drei verschiedene Konzepte für die Überwachung von Sprühfeldern getestet. Es handelte sich dabei um einen kapazitiven Sensor sowie unterschiedliche Sensoren mit den zugrundeliegenden Prinzipien der Längs- und Querdurchflutung. Für die Realisierung eines Sprühfeldüberwachungssystems, mit dem nicht nur die unterschiedlichen Sprühphasen überwacht werden sollen, sondern zusätzlich auch mehrere Messpunkte während eines Sprühzyklus aufgenommen werden können, wurde Längs-Quer-Durchflutung als vielversprechendste Variante ausgewählt. Mit diesem Verfahren lassen sich unterschiedliche Störungen wie ein ungeplanter Druckabfall oder eine inhomogene Ausbildung des Sprühnebels zuverlässig erkennen.

3. Konstruktion eines Sensorsystems, das einen Einsatz im industrienahen Prozess gewährleistet
Um eine Sprühüberwachung im späteren Einsatz für industrienahe Schmiedeprozesse zu realisieren, wurde ein Überwachungssystems auf der Grundlage der Längs-Quer-Durchflutung konstruktiv umgesetzt. Für eine ausreichend hohe Flächenerfassung des Sprühnebels wurden 4 Elektroden pro Gesenkhälfte für das Überwachungssystem vorgesehen. Mit dem Einsetzen des Sprühvorgangs werden die Stromkreise zwischen den 4 Elektroden über den zerstäubten Schmierstoffnebel geschlossen, so dass sich ein Stromfluss zwischen Düse und Elektrode einstellt. Über vier Widerstände in den Stromkreisen lassen sich die charakteristischen Spannungswerte der Elektroden abgreifen, die anschließend von einem PC-basierten Messsystem erfasst und ausgewertet werden.
 
Zur Überwachung der Schmierstoffaufbringung sind zwei Kontrollsysteme vorgesehen, so dass sowohl die Sprühnebel für das Ober- als auch für das Untergesenk erfasst werden. Eine Halterung in Winkelform ermöglicht eine genaue Positionierung ober- bzw. unterhalb der Düse, wobei eine Veränderung der Entfernung zur Düse über Abstandsplatten zwischen der Halterung und dem Sprühbalken realisiert wird.

4. Schmierstoffuntersuchungen
Die vom Überwachungssystem auszuwertenden zeitlichen Stromverläufe sind von der Leitfähigkeit der Schmierstoffe abhängig. Aus diesem Grund wurden bei zwei gängigen Schmierstoffen (ein graphithaltiger und ein graphitfreier) die Leitwerte bei unterschiedlichen Wasser-Schmierstoffkonzentrationen bestimmt. Eine deutliche Abhängigkeit des Leitwertes von der Konzentration des Schmierstoffs im Kühlschmierstoffgemisch ist nachweisbar. Zudem weichen die Leitwerte der unterschiedlichen Schmierstoffe deutlich voneinander ab.
Der Luftanteil in dem Sprühfeld beeinflusst die Leitfähigkeit erheblich. Dieser Einfluss übersteigt mit einem Faktor von 100 deutlich den Einfluss des verwendeten Schmiermittels (salzhaltiges oder graphithaltiges Schmiermittel) mit einem Faktor von 2 bis 4 im relevanten Bereich von ca. 5 - 10 % Schmiermittelanteil im Kühlschmiergemisch.

5. Sprühversuche und Signalanalyse
Mit Hilfe der vier kreisförmig angeordneten Sensorspitzen ist es möglich, eine auf die Fläche bezogene Erfassung des Sprühfelds zu realisieren. Somit können mit Hilfe des neuartigen Sensorsystems Unregelmäßigkeiten, die makroskopisch nicht zu erkennen sind, anhand der aufgenommenen Signalverläufe detektiert werden. Eine gleich bleibend homogene Oberflächentemperatur kann somit gewährleistet werden.

6. Entwicklung eines Sprühzyklusüberwachungssystems
Die Auswertung der mit Hilfe des neuen Sprühüberwachungssystems aufgenommenen Messwerte kann aus praktischen Gründen nicht nach jedem Sprühzyklus manuell erfolgen. Insbesondere für eine Online-Prozessüberwachung muss eine automatisiere Auswerteeinheit bereitgestellt werden.
Zur schnelleren und einfacheren Signalverlaufsanalyse wurde ein KNN im Rahmen dieses Arbeitspunktes mit dem Programm MATLAB/Simulink erstellt.
Dieses KNN ermöglicht es, die Merkmale je nach eingebrachter Störung anhand der unterschiedlichen Signalverläufe zu bestimmen und diese bzgl. auftretender Fehlerursachen einzuordnen.


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