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IBF Institut für Bildsame Formgebung RWTH Aachen

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Renishaw GmbH

JESSBERGER GmbH

Das neuartige Messkonzept ist unempfindlich und geschützt

Ein wichtiger Teil ist ein Drehzahlsensor des Herstellers Ifm Electronic GmbH. Er basiert auf dem Hall-Effekt und ist in den beiden Zentrierarmen der Radial-Axial-Ringwalzanlage des Typs Banning H100/V80 des Instituts für Bildsame Formgebung verbaut. Damit wird die Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser des heißen Rings während einer Ringwalzung gemessen. Dazu wurde auch ein Zahnrad auf der Welle der Zentrierrolle angebracht. Ein auf das Zahnrad gerichteter Sensor erfasst die Änderung des Magnetfeldes und misst somit die Drehzahl. Erstere wird hervorgerufen durch die Zähne und Täler am Zahnrad. Die Änderung wird dann mit einem integrierten Sensorchip und der nachgeschalteten Steuerungs- und Regelungseinheit in die Umfangsgeschwindigkeit der Zentrierrollen umgerechnet. Mit diesem Wissen kann man auf die Geschwindigkeit am Außendurchmesser des heißen Stahlringes schließen.

Im Sensor selbst befinden sich zwei Hall-Sensoren, mit denen es durch ihren örtlichen Versatz sogar möglich ist, die Drehrichtung des Walzgutes zu bestimmen. Um gegen die typischen Umgebungsbedingungen in Warmumformungsprozessen (Staub, Wasserdampf und hohe Temperaturen) geschützt zu sein, ist der Sensor durch eine Abdeckung gekapselt. Zu den weiteren Vorteilen der verwendeten Messtechnik gehört, dass Vibrationen, externe Lichtquellen und die hohe Ringverdeckung durch die Werkzeuge keine Rolle spielen. Zusätzlich ist die Messung außerhalb der Umformzonen weniger fehleranfällig.

Ein ausgeklügelter Algorithmus soll Messfehler vermeiden

Die Herausforderung besteht also darin, die Messung möglichst robust zu gestalten und den Schlupf zwischen Zentrierrollen und Ring so zu kontrollieren, dass keine Fehlmessung passiert. Schlupf kann durch eine zu geringe Zentrierkraft, durch das Ablösen von Zunder vom Stahlring oder grundsätzlich durch eine zu geringe Reibung zwischen Zentrierrollen und Ring entstehen. Um dem zu begegnen, muss ein entsprechender Algorithmus in der Anlagenprogrammierung hinterlegt werden, welcher eine Plausibilitätsprüfung durchführt. Das heißt, er prüft, welche Zentrierrolle Kontakt zum Ring hat, und definiert, welches Signal zur Bestimmung der Lage des heißen Ringes im Ringwalzwerk verwendet werden soll. Weiterhin soll der Algorithmus erkennen, ob die gemessenen Umfangsgeschwindigkeiten innerhalb eines vorgegebenen Messbereichs liegen. Dabei kann ein Abgleich von der Umfangsgeschwindigkeit der Hauptwalze und der Zentrierrollen durchgeführt werden, denn ein zunächst kleiner Messfehler kann sich über den Prozess aufsummieren. Das kann dazu führen, dass das entstandene variable Wanddickenprofil wieder überwalzt wird. Außerdem kann eine fehlerbehaftete Messung das Ringwalzwerk schädigen, weil die resultierenden hohen Kräfte im radialen Walzspalt bei zu spätem Öffnen des Radialwalzspaltes die Anlagengrenzen überschreiten können.

Grundsätzlich ist das Messsystem in die Infrastruktur des Ringwalzwerkes eingebunden. Das Messsignal wird an das Prozessleitsystem gesendet. Dort wird es vom Data Logger Server aufgezeichnet. Das Signal des Messsystems wird per ADDI-Data-Karte in einem Siemens-Microcomputer-Platinensystem (Sicomp SMP 16) an der Ringwalzanlage erfasst und zum Visualisierungsrechner geleitet. Ist es dort angekommen, zeichnet der Data Logger Server das Messsignal für die anschließende Weiterverarbeitung prozesssynchron auf.

Die Messungen stimmen mit der Realität gut überein

Um das Messkonzept zu validieren, wurden Ringwalzungen mit Aluminiumringen durchgeführt. Auf der Oberseite der Ringe wurden zuvor Markierungen angebracht, die eine Nachverfolgung per Videokamera erlauben, um das Ganze mit der Messung über die Zentrierrollen vergleichen zu können. Mit der Videokamera konnten 24 Ringumdrehungen verfolgt werden, bevor die Markierungen überwalzt wurden, wodurch sie nicht mehr erkennbar sind. Die Auswertung der Rotationsmessung an der Zentrierrolle auf der Einlaufseite offenbarte, dass die Messung gut mit dem Kamerabild übereinstimmt.

In den nächsten Schritten der laufenden Entwicklungsarbeiten wird die bereits in das Ringwalzwerk verbaute Messtechnik in die Regelung der Anlage integriert. Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Robustheit des Messsignals werden außerdem umgesetzt. Anschließend kann das Konzept zur Lageerkennung im laufenden Prozess auch bei heißen Stahlringen eingesetzt werden. Damit wird der messtechnische Grundstein gelegt, damit das Produktspektrum eines konventionellen Radial-Axial-Ringwalzwerkes auf das Walzen von exzentrischen Ringen mit einer umlaufend variablen Wandstärke erweitert werden kann. Danksagung: Diese Arbeit wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – 454751242.

Weitere Informationen zu der hier beschriebenen Methode sowie neueste Forschungsergebnisse werden beim 36. ASK Umformtechnik am 26. und 27. Oktober 2022 im Eurogress Aachen vorgestellt.

Literatur

[1] Allwood, J. M.; Tekkaya, A. E.; Stanistreet, T. F.: The development of Ring rolling technology. In: steel research int. 76 (2005) 2; 3; 7, 111-120; 491-507.

[2] Lee, Y. S.; Lee, M. W.; Park, S. S.; Lee, I.; Moon, Y. H.; Barlat, F.; Lee, M. G.: Process Design by FEM Simulation for Shape Ring Rolling of Large-Sized Ring: AIP Conference Proceedings.

[3] Souza, U. de; Pursell, Z.; Phillips, K.; Vaze, S.: Profile Ringrolling. New techniques have been developed to lower the cost and improve the buy-to-fly ratio of rings and cases in aerospace engines through advances in preform design and processing. In: Advanced Materials & Processes 161 (2003) 5, S. 35–37.

[4] Keeton, C.R.: Ring Rolling: Metals handbook. Volume 14 Forming and Forging. Metals Park, Ohio 1988.

[5] Jenkouk, V.; Hirt, G.; Franzke, M.: 3D-FE simulation of ring rolling with integrated closed-loop tool motion control. In: TEMA Aachen (Hrsg.): Proceedings - ICRF 2012, 1st International Conference on Ingot Casting, Rolling and Forging. Düsseldorf 2012.

[6] Schwich, G.; Jenkouk, V.; Hirt, G.: Realistic modelling of the tool kinematics of radial-axial ring rolling machines in finite element simulation: Esaform 2016: Proceedings of the 19th International. Esaform Conference on Material Forming 2016.

* Mirko Gröper ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Bildsame Formgebung IBF der RWTH Aachen University. Dr.-Ing. David Bailly ist dort Oberingenieur, und Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt leitet das IBF.

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