Spektrum Bild 3: Gelenkzapfen und entsprechendes Schmiedegesenk mit Kegelelementen. Um die Eignung von Fehler- und Formfüllungsidentifikation in industriellen Schmiedeprozessen zu validieren, wurden Umformversuche mit beiden Konzepten bei PZW und anschließend mit dem Konzept zur Identifikation der Formfüllung bei der Hirschvogel Eisenach GmbH auf mechanischen Umformaggregaten durchgeführt. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Untersuchungen bei PZW beschrieben. Industrieller Einsatz der Überwachung Im Rahmen der Versuche in der Forschungsstelle IPH erwies sich die vollständige Isolation des Obergesenks als stetiges Problem, da aufgrund der großen und ungleichmäßigen Isolationsfläche immer wieder elektrischer Kontakt durch Schmutzpartikel oder Graphit hergestellt wurde. Insgesamt ist somit eine großflächige Isolation des Obergesenks schwer umsetzbar. Eine Isolation des Untergesenks ist jedoch noch anspruchsvoller, da aufgrund der Auswerfer zusätzlich bewegliche Elemente hinzukommen. Daher wurde für die Umsetzung der Fehleridentifikation bei PZW 56 SchmiedeJOURNAL September 2013 das Prinzip des Elektrodenaufbaus von der Formfüllungsidentifikation auf die Fehleridentifikation übertragen. Im Gegensatz zum Einsatz als Formfüllungsidentifikation wird die Elektrode an eine Stelle im Gesenk eingebracht, die beim Herunterfahren des Obergesenks als erstes Kontakt zum Werkstück hat. Als Spannungsquelle wird eine Gleichstrombatterie mit einer elektrischen Spannung von 1,5 V genutzt. Der Messwiderstand, über dem die Spannungssignale aufgezeichnet werden, besitzt einen Widerstand von 1 kΩ damit der größte Teil der Spannung bei einem geschlossenen Stromkreis hierüber abfällt. Die elektrisch isolierten Elektroden sind in Form eines an der Spitze abgeflachten 90 °-Kegels ausgeführt (Bild 2, oben links), da mechanische Spannungen somit gut in das Gesenk geleitet werden können. Diese Kegelelemente wurden an der Mantelfläche mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, wodurch die Isolation zum Gesenk gegeben ist. Als Beschichtung wurde die Keramik AlTiO genutzt, die in Gesprächen mit Fachleuten aus der Branche als geeignet für diesen Anwendungsfall beschrieben wurde. Nach der Beschichtung wurde ein isolierter Draht an die Spitze des Kegels gelötet oder geschweißt und anschließend das Kegelelement in das Gesenk eingebaut. Zusätzlich wurden Versuche mit einem Kegelelement aus einer Vollkeramik mit Loch zum Herausführen eines Drahts durchgeführt. Diese Elemente wurden jedoch bereits im ersten Umformprozess zerstört und weisen somit keine Eignung für den Anwendungsfall auf. Für die Validierung der Konzepte bei PZW wurde ein Gelenkzapfen ausgewählt, bei dem die Kegelelemente in ebene Flächen eingebracht werden können (Bild 3). Der Gelenkzapfen wird in zwei Stufen umgeformt, wobei die Vorformstufe hier nicht weiter betrachtet wird, da Fehler- sowie Formfüllungsidentifikation nur in der Fertigform relevant sind. In Bild 3 ist das eingebaute Werkzeug mit Ober- und Untergesenk in der Presse zu sehen. Im Obergesenk sind die beiden Kegelelemente zu erkennen. Kegelelement 1 wird für die Formfüllungsüberwachung genutzt, da hier erst am Ende des Umformprozesses das Material die Gravur füllt. Kegelelement 2 ist am Dorn des Obergesenks eingebracht. An dieser Stelle kommt der erste Kontakt zwischen Obergesenk und Schmiedestück zustande. Dieser Kontakt bleibt über die gesamte Prozessdauer bis zum Hochfahren des Obergesenks bestehen. Die Spannungsverläufe beider Kegelelemente sind in Bild 4 dargestellt, wobei die Spannung am jeweiligen Messwiderstand (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) dargestellt ist. Beide Spannungen liegen zu Beginn bei 0 V. Nach etwa 1,8 Sekunden steigt die Spannung bei Kegelelement 1 auf über 1,3 V an und geht danach in einen flachen Abstieg über. Der Spannungsanstieg ist auf das Graphitieren des Dorns zurückzuführen. Das Schmiermittel fungiert als elektrischer Leiter und über dem Messwiderstand ist entsprechend eine Spannung messbar. Das Wasser des Schmiermittels verdampft aufgrund der Temperatur des Obergesenks anschließend langsam und der elektrische Widerstand zwischen Obergesenk und Kegelelement 1 erhöht sich dadurch proportional. Das hat zur Folge, dass die über dem Messwiderstand abfallende Spannung sinkt. Nach etwa 3,8 Sekunden steigt das Spannungssignal erneut an und erreicht einen Wert von über 1,4 V. Zu diesem Zeitpunkt entsteht der Kontakt zwischen Obergesenk und Werkstück, wodurch das Werkstück den Kontakt zwischen dem Kegelelement 1 und dem Dorn herstellt. Der elektrische Widerstand in diesem System ist gering und der größte Teil der angelegten Spannung von 1,5 V fällt über den Messwiderstand ab. Dieser Kontakt bleibt über die gesamte Umformdauer Bild 4: Aufgezeichnete Spannungsverläufe für Kegelelement 1 und 2. Bilder: Autoren erhalten und verweilt zirka 0,2 Sekunden
2013-09-Schmiede-Journal
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