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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Festwalzen
von Flächen
eines Werkstücks.
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Das
Festwalzen von Werkstücken
hat das Ziel, die Oberflächenfestigkeit
des Werkstücks
zu steigern. Es dient vor allem der Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit
dynamisch beanspruchter Bauteile. Dadurch wird Materialermüdung reduziert,
die insbesondere an Hohlkehlen, Absätzen oder sonstigen Kerben
durch eine Spannungskonzentration zu Rissen und letztlich zu Dauerbrüchen führen kann.
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Dabei
kann es am Werkstück
zu die Lebensdauer erheblich beeinträchtigenden Oberflächenfehlern
kommen, wenn das Werkzeug Schäden
wie beispielsweise Ausbrüche
und Kerben aufweist. Eine nachträgliche
Sichtkontrolle der Werkstücke
ist ungenau, nicht standardisierbar und führt dazu, dass Schäden am Werkzeug
erst nach der Produktion entdeckt werden, so dass unter Umständen vor
einem Austausch des schadhaften Werkzeugs noch ein erheblicher Ausschuss
produziert wird.
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Aus
der
DE 37 12 651 A1 ist
ein Verfahren zum Festwalzen von Werkstücken, insbesondere von Ringflächen einer
Kurbelwelle, be kannt, bei dem beim Festwalzen im Werkzeug erzeugte
Schallwellen. an jeder Rolle und/oder Gegenrolle durch einen Sensor
abgenommen werden. Aus den Messwerten wird ein Mittelwert gebildet,
mit dem jeweils das Einzelsignal einer Rolle oder Gegenrolle verglichen
wird. Bei einer signifikanten Abweichung wird ein Alarm ausgelöst, der
Schäden
am Werkzeug anzeigt.
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Dieses
Verfahren ist jedoch verhältnismäßig aufwendig
und eignet sich nicht für
spezielle Anwendungen wie beispielsweise das Nachwalzen einzelner
Flächen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein möglichst einfaches und flexibles
Verfahren zum Festwalzen eines Werkstücks anzugeben.
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Darüber hinaus
ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Festwalzen von Flächen
eines Werkstücks
weist folgende Schritte auf: Zunächst
wird ein Werkstück
mit festzuwalzenden Flächen
bereitgestellt. Das Festwalzen der Flächen erfolgt anschließend unter
gleichzeitiger Oberwachung des Festwalzwerkzeugs, wobei die Überwachung
folgende Schritte aufweist: Es wird ein Schallsignal mit einem Sensor
am Werkzeug über
einen Zeitraum Δt
aufgenommen. Dieses Signal wird anschließend wie folgt ausgewertet:
Das Schallsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, was
beispielsweise durch einen piezoelektrischen Wandler erfolgen kann.
Aus dem elektrischen Signal wird zumindest ein Kontrollsignal berechnet,
das mit einem Sollsignal für
den Zeitraum Δt
verglichen wird. Wenn das Kontrollsignal von dem Sollsignal über ein
vorbestimmtes Maß hinaus
abweicht, erfolgt die Ausgabe eines Alarms.
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Der
Zeitraum Δt
wird dabei abhängig
von der Dauer des Festwalzens gewählt. Für sehr kurze Festwalzprozesse
kann Δt
sehr klein sein, so dass quasi kontinuierlich gemessen wird. Δt kann jedoch
auch bis zu mehreren Sekunden lang sein. Der Zeitraum Δt muss nicht
immer gleich lang sein. Beispielsweise kann auch über einen
einzelnen Bearbeitungsabschnitt oder über eine Anzahl von Umdrehungen
gemessen werden.
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Bei
den festzuwalzenden Flächen
handelt es sich beispielsweise um Ringflächen, Freistiche oder Hohlkehlen.
Zum Festwalzen wird das Werkstück üblicherweise
um eine Achse gedreht, so dass die gesamten Flächen bearbeitet werden können.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird das Kontrollsignal durch eine Transformation des zeitabhängigen elektrischen
Signals in den Frequenzraum berechnet. Dabei kommen gängige Transformationsverfahren
wie Varianten der Fouriertransformation, die Laplace-Transformation,
die Z-Transformation oder die Wavelet-Transformation zum Einsatz.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
entspricht das Sollsignal dem von einem unbeschädigten Werkzeug ausgesandten
Signal. Es wird bei Inbetriebnahme des Werkzeugs „erlernt", d.h. in ausreichend
großen
Zeitintervallen aufgenommen und gespeichert. Dies hat den Vorteil,
dass das Sollsignal keine theoretisch berechnete Größe ist,
sondern empirisch ermittelt wird. Einflussfaktoren wie Charakteristiken
des einzelnen Festwalzwerkzeugs aber auch Faktoren wie die Umgebungstemperatur
können
auf diese Weise berücksichtigt
werden, was zu einem sehr signifikanten und aussagekräftigen Sollsignal und
somit zu einer Überwachung
mit hoher Genauigkeit führt.
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Die
sehr genaue Überwachung
hat den Vorteil, dass mit ihr gleichzeitig Fehler der ersten und
der zweiten Art reduziert werden können. Schon kleine Beschädigungen
des Festwalzwerkzeugs können detektiert
werden, gleichzeitig können
aber auch Fehlalarme auf ein Minimum reduziert werden.
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Wenn
das Kontrollsignal von dem erlernten Sollsignal über ein vordefiniertes Maß hinaus
abweicht, wird ein Alarm ausgegeben und gegebenenfalls der Festwalzprozess
gestoppt, so dass eine Sichtkontrolle des Werkzeugs vorgenommen
und das Werkzeug gegebenenfalls ausgetauscht werden kann. In einer
Ausführungsform
wird der Alarm erst ausgelöst,
wenn das Kontrollsignal bei zwei aufeinander folgend bearbeiteten
Werkstücken
von dem erlernten Sollsignal über
das vordefinierte Maß hinaus abweicht.
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Das „vordefinierte
Maß" wird dabei abhängig von
der Art der Berechnung des Kontrollsignals gewählt. Es dient dazu, den Grad
der Abweichung des Kontrollsignals von dem Sollsignal zu quantifizieren. Abweichungen
können
dabei verschiedener Art sein: Beispielsweise können im Frequenzspektrum des Kontrollsignals
zusätzliche
Frequenzen auftreten, die im Spektrum des Sollsignals nicht vorhanden
sind oder im Sollsignal vorhandene Frequenzen können im Kontrollsignal stark
verstärkt
auftreten. Dementsprechend kann das Kontrollsignal auf verschiedene Weisen
berechnet werden.
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Als
Kontrollsignal sind in einem Ausführungsbeispiel Beträge der Amplitudenwerte
des Schallsignals gewählt.
Dazu wird beispielsweise eine Fouriertransformation oder eine schnelle
Fouriertransformation vorgenommen, die ein Frequenzspektrum des
Schall signals innerhalb des Zeitraums Δt liefert. Dieses Frequenzspektrum
kann im Folgenden ausgewertet und zur Erzeugung des Kontrollsignals verwendet.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel werden über den
Zeitraum Δt
integrierte – negative wie
positive – Amplitudenwerte
des Schallsignals als Kontrollsignal verwendet.
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In
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
wird ein erstes und ein zweites Kontrollsignal berechnet, wobei
das erste Kontrollsignal Beträge der
Amplitudenwerte des Schallsignals und das zweite Kontrollsignal über den
Zeitraum Δt
integrierte Amplitudenwerte des Schallsignals enthält. Auf
diese Weise stehen zwei Kontrollsignale zur Verfügung, die jeweils mit dem Sollsignal
verglichen werden können.
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Dabei
hat es sich beispielsweise bewährt, das
Alarmsignal auszugeben, wenn das Kontrollsignal das 1,4fache des
Sollsignals erreicht. Vorteilhaft ist beispielsweise ein Bereich
für den
Wert des Kontrollsignals zum Auslösen des Alarms ab dem 1,2fachen
des Sollwerts. Dieser Bereich kann jedoch abhängig von den spezifischen Eigenschaften
der Maschine und Größen wie
beispielsweise der Dauer des Lernprozesses und somit der statistischen
Signifikanz des Sollsignals gewählt
werden.
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Dabei
erfolgt die Ausgabe eines Alarms entweder, wenn zumindest eines
der Kontrollsignale von dem Sollsignal um eine vordefinierte Größe abweicht,
oder die Ausgabe des Alarms erfolgt erst, wenn beide Kontrollsignale
von dem Sollsignal um eine vordefinierte Größe abweichen. Auf diese Weise ist
eine besonders sichere Werkzeugüberwachung sichergestellt.
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Ein
weiteres geeignetes Kontrollsignal kann aus dem zeitabhängigen elektrischen
Signal berechnet werden, in dem als Kontrollsignal für den Zeitraum Δt die maximale
Amplitude des elektrischen Signals herangezogen wird. Dazu wird
das elektrische Signal nicht in den Frequenzraum transformiert.
Eine weitere Möglichkeit
zur Berechnung des Kontrollsignals ist die Ermittlung der durchschnittlichen
Amplitude für
den Zeitraum Δt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich vorteilhaft
beim Festwalzen von Flächen
einer Kurbelwelle einsetzen. Die eingesetzte Walzkraft ist bei Kurbelwellen
winkelabhängig,
da Kurbelwellen im Bereich ihrer Lagerschultern konstruktionsbedingt nicht
so belastbar sind wie in anderen Bereichen. Das Festwalzen von Kurbelwellen
ist daher ein verhältnismäßig komplizierter
Prozess, der besondere Anforderungen an die verwendeten Werkzeuge
stellt und diese auch insbesondere durch den ständigen Walzkraftwechsel besonderen
Belastungen aussetzt, so dass die Werkzeuge sorgfältig überwacht
werden sollten.
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Bei
der Verarbeitung des Sensorsignals werden je nach Bedarf verschiedene
Zwischenschritte eingefügt.
Beispielsweise kann das Schallsignal und/oder das elektronische
Signal verstärkt
und/oder gefiltert werden und aus dem Analogsignal wird vor der
Berechnung des Kontrollsignals vorteilhafterweise ein Digitalsignal
gemacht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist insbesondere den Vorteil auf, dass es eine sehr genaue Überwachung
des Werkzeugs erlaubt und somit durch die rechtzeitige Erkennung
von Schäden
am Werkzeug Beschädigungen
der Flächen
der Werkstücke
durch das Festwalzwerkzeug vermieden werden können. Da verschiedene Rollen
leicht unterschiedliche Charakteristiken bei der Schallmessung aufweisen
können,
beispielsweise aufgrund ihrer Position im Rollenverband oder weil
sie eine unterschiedliche Nutzungsdauer aufweisen, ist der Mittelwert
aller Signale ein verhältnismäßig ungenaues Vergleichssignal.
Das erfindungsgemäße Verfahren zieht
deshalb keinen Mittelwert als Sollsignal heran, sondern ein erlerntes
Signal desselben Werkzeugs. Ein solches Signal kann in einem verhältnismäßig kurzen
Zeitraum erlernt werden, beispielsweise während der Bearbeitung eines
einzigen Werkstücks.
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Das
Schallsignal muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht an einer
bestimmten Stelle des Werkzeugs, beispielsweise direkt an einer
Rolle, aufgenommen werden. Vielmehr kann es auch an einer anderen
Stelle, beispielsweise an der Pinole oder am Spannfutter oder an
sonstigen Maschinenelementen, an denen das Schallsignal des Werkzeugs gut übertragen
wird, aufgenommen werden. Somit kann die Positionierung des Sensors
bequem in einem gut zugänglichen
Bereich erfolgen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
auch Werkzeuge mit einzelnen Rollen zu überwachen. Insbesondere beim
Nachwalzen von noch nicht ausreichend verdichteten Oberflächenbereichen
ist dies vorteilhaft, weil dann unter Umständen nur eine einzige Rolle
eingesetzt wird.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Überwachung
eines Werkzeugs beim Festwalzen von Flächen eines sich drehenden Werkstücks weist ein
Festwalzwerkzeug mit Rollen zum Festwalzen der Flächen eines
sich drehenden Werkstücks
auf. Zur Überwachung
des Festwalzwerkzeugs weist die Vorrichtung ferner einen Sensor
zur Aufnahme eines Schallsignals am Werkzeug und einen Schallwandler zur
Umwandlung des Schallsignals in ein elektrisches Signal auf. Sie
umfasst ferner eine Recheneinheit zur Berechnung eines Kontrollsignals
aus dem elektrischen Signal, eine Speichereinheit zur Speicherung
eines Sollsignals, eine Einheit zum Vergleichen des Kontrollsignals
mit dem Sollsignal und eine Einheit zur Ausgabe eines Alarms, wenn
das Kontrollsignal von dem erlernten Sollsignal um eine vordefinierte
Größe abweicht.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Festwalzen eines Werkstücks
durchgeführt
werden. Sie benötigt
nur einen einzigen Sensor zur Überwachung des
Werkzeugs, der nicht unbedingt an den Festwalzrollen angebracht
sein muss, sondern das Signal auch an anderen Maschinenteilen, die
die beim Festwalzen entstehenden Schallsignale ebenfalls übertragen,
abnehmen kann.
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Mit
der Signalverarbeitungseinheit kann eine Grafikausgabeeinheit verbunden
werden, die eine grafische Darstellung des Kontrollsignals und des Sollsignals
liefert. Diese Daten können
auch gespeichert und auf diese Weise jederzeit rückverfolgbar gemacht werden.
Somit ist eine Dokumentation des Festwalzprozesses möglich, die
nicht nur Schäden am
Werkzeug, sondern auch andere Prozessveränderungen sichtbar und nachvollziehbar
macht.
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Somit
lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
außer
zum Erkennen von Rollenbrüchen
auch zur Erkennung anderer Maschinen- oder Bearbeitungsfehler und
Abweichungen der Werkstücke
nutzen und auf diese Weise zur Diagnose bei der Instandhaltung, Fertigung
und Qualitätssicherung
einsetzen. Zudem erlaubt die Rückverfolgbarkeit
eine Aussage über
die Güte
der bereits gefertigten Werkstücke.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Festwalzen von Flächen
eines sich drehenden Werkstücks
und
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2 zeigt
schematisch im Querschnitt ein Festwalzwerkzeug mit einer Rolle
und ein Festwalzwerkzeug mit zwei Rollen.
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Die
Vorrichtung 1 zum Festwalzen gemäß 1 umfasst
ein Festwalzwerkzeug 2 mit Rollen, die zum Festwalzen von
Flächen 4 eines
Werkstücks 3 vorgesehen
sind. Das Werkstück 3 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Kurbelwelle. Bei einer Kurbelwelle haben die Flächen 4 die
Form von deformierten Kreisringflächen, wobei deformiert in diesem Fall
bedeutet, dass der Kreisring keinen konstanten Radius aufweist.
Damit jeweils die gesamte Fläche 4 bearbeitet
werden kann, wird das Werkstück 3 während des
Festwalzens um die Achse 15 gedreht.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst weiter einen Sensor 5. Der
Sensor 5 ist in Kontakt mit dem Festwalzwerkzeug 2.
Der Sensor nimmt ein Schallsignal am Werkzeug 2 über einen
Zeitraum Δt
auf, wobei Δt
beispielsweise der für
die Bearbeitung eines Werkstücks 3 benötigten Dauer
entspricht. Dieses Schallsignal entsteht bei der Bearbeitung des
Werkstücks 3 als Transversal-
und Longitudinalwelle („Körperschall") im Material des
Festwalzwerkzeugs 2 und wandelt sich beim Austritt aus
dem Material in eine longitudinale Schallwelle um.
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Über eine
erste Signalleitung 11 gelangt das Schallsignal zu einem
Signalumformer 6, der es in ein elektrisches Signal, beispielsweise
in ein Spannungssignal, umwandelt. Der Signalumformer 6 kann auch
Einrichtungen zum Filtern, Verstärken
oder für eine
weitere Bearbeitung des Signals umfassen. Je nach Art des Sensors 5 kann
der Signalumformer 6 zumindest teilweise bereits im Sensor 5 integriert sein.
Beispielsweise kann der Sensor 5 ein piezoelektrischer
Schallwandler sein, der unmittelbar bei der Aufnahme des Schallsignals
dieses in ein Spannungssignal umwandelt.
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Das
Spannungssignal wird über
eine zweite Signalleitung 12 an eine Recheneinheit 7 übertragen, die
aus dem umgewandelten und bearbeiteten Signal ein Kontrollsignal
berechnet. Dazu wird das elektrische Signal, das eine in einem ganzen
Frequenzbereich aufgenommene zeitabhängige Spannung enthält, beispielsweise
in den Frequenzraum transformiert, so dass es leichter ausgewertet
werden kann.
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Die
Recheneinheit 7 vergleicht das Kontrollsignal mit einem
für den
Zeitraum Δt
in einer nicht dargestellten Speichereinheit hinterlegten Sollsignal und
gibt einen Alarm aus, wenn das Kontrollsignal von dem Sollsignal
um eine vordefinierte Größe abweicht.
Der Alarm kann über
die dritte Signalleitung 13 an die Steuerung 8 an
das Festwalzwerkzeug 2 weitergegeben werden, so dass er
beispielsweise einen Abbruch des Festwalzens bewirkt. Eine vierte
Signalleitung 14 ist zur Übertragung eines vom Betriebszustand
des Festwalzwerkzeugs 2 abhängigen Start- bzw. Stoppsignals,
die Anfang und Ende des Messzeitraums Δt markieren, vorgesehen.
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An
die Recheneinheit 7 können
in der Figur nicht dargestellte grafische Ausgabegeräte angeschlossen
sein, die eine grafische Darstellung des Kontrollsignals und des
Sollsignals erlauben.
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2 zeigt
schematisch im Querschnitt ein Festwalzwerkzeug 2' mit einer einzigen
Rolle 9, die um eine Rotationsachse 10 drehbar
gelagert ist. Sie zeigt ferner ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Festwalzwerkzeugs 2'', bei dem zwei Rollen 9 vorgesehen
sind. Die Festwalzwerkzeuge 2' und 2'' sind zum
Festwalzen des in 1 gezeigten Werkstücks 3 geeignet.
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- 1
- Vorrichtung
zum Festwalzen
- 2,
2', 2''
- Festwalzwerkzeug
- 3
- Werkstück
- 4
- Fläche
- 5
- Sensor
- 6
- Signalumformer
- 7
- Recheneinheit
- 8
- Steuerung
- 9
- Rolle
- 10
- Rotationsachse
- 11
- erste
Signalleitung
- 12
- zweite
Signalleitung
- 13
- dritte
Signalleitung
- 14
- vierte
Signalleitung
- 15
- Achse