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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Festigkeit
von Drähten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Festigkeit von Drähten.
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Es ist bekannt, bei der Prüfung von Drähten in Ringen von den Ringen
jeweils am Anfang und am Ende der aufgewickelten Drahtstrecke Proben zu entnehmen.
Diese Proben werden anschließend in einer Zerreißmaschine geprüft, wobei ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm
gemessen wird. Aus dem Diagramm können die Streckgrenze und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten
bestimmt werden. Es ist ersichtlich, daß die Art der Überprüfung relativ unbefriedigend
ist, da über die Drahtqualität im Inneren des Ringes praktisch nur eine angenäherte
Aussage getroffen werden kann. Dieser Zustand ist insofern nachteilig, da von vielen
Kunden eine weitgehende Einhaltung von Toleranzwerten gefordert wird, über die jedoch
keine Aussage getroffen werden kann, da keine Meßwerte für den gesamten Drahtring
vorliegen.
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Es stellt sich damit die Aufgabe, das bekannte Meßverfahren zu verbessern
und insbesondere eine weitgehend kontinuierliche, zerstörungsfreie Überwachung,
Prüfung und Messung der Festigkeit eines Drahtringes zu ermöglichen. Weiterhin soll
aufgrund der Erfindung eine einfach zu bauende und unkompliziert einzusetzende
Vorrichtung
konstruiert werden können, mit der das Verfahren durchzuführen ist. Durch das Meßverfahren
soll es möglich sein, dem Kunden ein Diagramm über die Festigkeit des Drahtes zu
erstellen, wobei im wesentlichen eine Aussage über die gesamte Länge des Ringes
möglich ist.
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Das Verfahren soll ferner unmittelbar vor dem Aufrollen des Drahtringes
einsetzbar sein, so daß die vorhergegangenen Drahtverarbeitungsgänge bei der Überwachung
der Qualität erfaßt werden können.
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Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der
Festigkeit von Drähten, bei dem der Draht während eines Wickelvorganges gedehnt
und dabei die Spannung der Drähte bei konstanter Dehnung als Parameter für die Drahtfestigkeit
gemessen wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Messung nach einer Dehnung über die Streckgrenze
im Spannungs-Dehnungs-Diagramm hinaus. Die letztere Maßnahme hat den Vorteil, daß
das Verhalten des Drahtmaterials über der kritischen Proportionalitätsgrenze gemessen
wird. Wird beispielsweise die Spannung bei einem Wert von 1 % Längenausdehnung gemessen,
so ist sichergestellt, daß bei allen üblicherweise vorkommenden Stahldraht-Qualitäten
die Proportionalitätagrenze im Spannungs-Dehnungs-Diagramm überschritten wird. Die
gemessene Spannung gibt Auskunft über die Qualität des Drahtes (Streckgrenze, Zerreißfestigkeit
und ähnliches).
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Für den Drahtverbraucher gibt daher ein Diagramm, das über die Länge
des Drahtes die gemessene Spannung anzeigt, die bei einer Dehnung von beispielsweise
1 /o (oder einem anderen Wert innerhalb des Bereiches von ca. 0,8 bis 4 0/o Dehnung)
erhalten wird, Aufschlüsse darüber, ob der Draht die gewünschte Festigkeit hat.
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Vorzugsweise erfolgt die Messung unmittelbar vor dem Aufwickeln des
Drahtes auf eine Vorratsrolle. Zur Durchführung des Verfahrens eignen sich beispielsweise
zwei Rollen, über die der Draht nacheinander festanliegend geführt ist und deren
einer Umfang um einen bestimmten Betrag größer ist als der der anderen, und eine
Kraftmeßvorrichtung zwischen den Aufhängungen der beiden Rollen. Der Umfangsunterschied
zwischen den beiden Rollen ist so bemessen, daß der Draht beispielsweise umi % gedehnt
wird. Die dafür benötigte Zugkraft überträgt sich auf die Rollen und kann über die
Kraftmeßvorrichtung festgestellt werden.
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Es erscheint auch möglich, die Zugkraft dadurch zu messen, daß der
Draht über eine dritte Rolle geführt wird, die mit einer Kraftmeßdose verbunden
ist.
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Selbstverständlich ist auch möglich, den Draht mehrfach hin- und zurückzuführen
zwischen den Rollen. In diesem Falle tritt eine erhöhte Zugspannung auf.
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Um den Zusammenhang zwischen der Druckspannung, die an
der
Kraftmeßvorrichtung zwischen den Rollen gemessen wird, und der Drahtfestigkeit herzustellen,
wird vorzugsweise eine empirische Eichung vorgenommen. Es ist jedoch auch möglich,
bei Bekanntsein aller Parameter eine absolute Eichung durchzuführen.
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Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
besteht aus zwei in Achsenrichtung zweistufigen Rollen, bei denen der Umfang der
ersten bzw. zweiten Stufen jeweils untereinander gleich ist, bei denen jedoch der
Umfang der zweiten Stufe jeweils um einen bestimmten Betrag größer ist als der der
ersten Stufe, und bei der zwischen den Rollen ebenfalls eine Eraftmeß-zorrichtung
vorgesehen ist.
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Um das feste Anliegen des Drahtes zu verbessern, wird vorgeschlagen,
jede Stufe der Rollen aus einer Reihe von Ringrillen bestehen zu lassen.
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Zwischen den beiden Stufen besteht ein Unterschied im Durchmesser
von etwa 0,8 bis 4 , Zwischen beiden Aufhängungen der Rollen ist eine Kraftmeßvorrichtung
angebracht, beispielsweise eine Druckmeßdose, die die Kraft mißt, die beim Auflaufen
des Drahtes vom dünneren auf den dickeren Durchmesser durch die dabei erfolgende
Dehnung erzeugt wird.
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Durch diese Art der Drahtführung über zwei Rollen kann noch ein weiterer
Vorteil erreicht werden.
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Während des Dehnungsvorganges wird der Draht auch gerichtet und damit
in seiner qualität weiter erbessert.
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Das Verfahren läßt sich auch noch mit einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung durchführen, die aus einer in Achsenrichtung zweistufigen Rolle
besteht, bei der der Umfang der zweiten Stufe gegenüber dem der ersten Stufe um
einen bestimmten Betrag grösser ist - nämlich um den der erwünschten Dehnung -und
bei der der Draht fest anliegend auf den Stufen geführt ist, wobei der Draht beim
Übergang von der ersten auf die zweite Stufe über eine zweite Rolle geführt ist,
die mit einem Kraftmeßgerät verbunden ist.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung gemäß dem Verfahren
und weitere Einzelheiten des Verfahrens werden anhand der Zeichnung erläutert. Die
Figuren der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen
Stahldraht; Figur 2 in schematischer Form eine Vorrichtung lzur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung; Figur 3 in schematischer Form eine andere Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der Figur -1 ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm
für
Stahldraht dargestellt, bei dem auf der Abszisse die Dehnung in Prozent der ursprünglichen
Länge und auf der Ordinate die Spannung in kp pro mm2 dargestellt sind. Gemäß den
bekannten Gesetzmäßigkeiten weist der Draht innerhalb einer Proportionalzone, d.h.
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bis zum Spannungswert 5 ein reversibles Verhalten p auf. In diesem
Bereich wird die Dehnung wieder rückgängig gemacht, wenn die Spannung nachläßt.
Wird jedoch der Draht über die Proportionalgrenze hinaus gedehnt, so erleidet er
eine bleibende Verformung.
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Bei einer bleibenden Dehnung von 0,2 Xo spricht man von der sogenannten
Streckgrenze. Diese Streckgrenze liegt bei allen üblicherweise verwendeten Walzdrähten
unterhalb einer Dehnung von 1 %, berechnet auf die Gesamtlänge des verformten Drahtes.
Gleichzeitig gibt der Spannungswert S1 entsprechend einer Dehnung von 1 % einen
Hinweis darauf, welche Elastizitätsgrenze, welche Streckgrenze und welche Bruchlast
dem Draht als Eigenschaften zukommen. Eine Dehnung von etwa 1 Xo oder 2 % gibt damit
ein verläßliches Qualitätsmerkmal wenn dieser Wert kontinuierlich über die gesamte
Drahtlänge gemessen wird.
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In Figur 2 ist eine Meßvorrichtung (erste Ausführung) gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus zwei Rollen 11, 12, die in je einer Rollenhalterung
13, 14 drehbar eingebaut sind. Die Rollen liegen achsenparallel, und die Halterungen
sind miteinander verbu-ndeni Jede Rolle ist in Achsenrichtung zweistufig ausgeführt
Der Du-ir'sser Ci
einen Stufe 16 unterscheidet sich vom Durchmesser
der anderen Stufe 17 um etwa 0,8 bis 4 %. Der Unterschied wird in Abhängigkeit von
der Größe der erreichten Dehnung und Drahtzugfestigkeit gewählt.
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Bei den Rollen liegen Stufen mit gleichem Durchmesser einander gegenüber.
Der Draht 5, welcher von einer Zuführung abgenommen wird, gelangt auf die Rollen
11, 12 in Form von einfachen Schlingen oder in Form einer "Acht". Wichtig ist, daß
der Draht mit den Rollen fest verbunden ist und keinen nennenswerten Schlupf aufweist.
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Mit dem Aufliegen des Drahtes 5 auf die Rollen 11 und 12 wird auf
der Stufe mit einem geringeren Durchmesser begonnen. Anschließend gelangt der Draht
auf die Stufe mit einem größeren Durchmesser. Die Rollen werden entweder selbst
angetrieben oder durch das Ziehen des Drahtes durch die Rollen von außen angetrieben.
Durch die Reibungskräfte ist kein Ausgleich der Drahtlänge auf dem Umfang der Rollen
selbst möglich, sondern ausschließlich über die freie Drahtstrecke, die sich zwischen
den Rollen befindet. Hierbei wird eine bleibende Verformung im Draht hervorgerufen,
die oberhalb der Streckgrenze liegt. Durch diese Streckung wird der Draht auch noch
gerichtet, so daß während des Meßverfahrens ein weiterer Arbeitsgang erledigt werden
kann.
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Zwischen den Rollen ist eine Kraftmeßdose 18 angeordnet, die beispielsweise
ein Piezo-Kristall enthält, der ein piezo-elektrisches Signal erzeugt, das von einem
Meßinstrument 20 aufgenommen und auf einen Diagramm-Schreiber 21 übertragen wird.
Die Kurve des Diagramms zeigt demnach die gemessene Druckkraft zwischen den Rollen
während des Dehnungsvorganges und ist ein Maß für die Streckgrenze und andere Werte,
wie bereits erläutert.
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Die Verschiebung der Rollen während des Meßvorganges muß naturgemäß
sehr gering sein, damit die freie Drahtlänge möglichst exakt genau gleich ist.
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Die gemessene Kraft P der Meßdose kann über die Beziehung
ermittelt werden (R= Drahthalbmesser; n = Anzahl der hin- und hergehenden Drähte).
In praktischer Ausführung wird meist noch ein Korrekturfaktor erforderlich sein,
der empirisch zu bestimmen ist.
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Gemäß einer anderen Anordnung kann die Messung auch mit einer einzigen
Stufenrolle 1 durchgeführt werden (Figur 3). Bei dieser Ausführungsform wird der
Draht 5 zunächst in mehreren Windungen um den Rollenabschnitt 2 gelegt, gelangt
von dort über eine freie
Wegstrecke über eine zweite Rolle 7 zu
dem Rollenabschnitt 9 mit dem größeren Durchmesser. Auf dem größeren Durchmesser
wird der Draht gedehnt, wobei die Dehnung über die freie Drahtlänge 5 ausgeglichen
wird.
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Hierbei entsteht ein erheblicher Zug, der auf die Rolle 7 einwirkt.
Die Rolle 7 ist mit einer Kraftmeßdose 6 verbunden, die ebenfalls mit einem Piezo-Kristall
gekuppelt ist, der ein elektrisches Signal an das Meßgeratit Schreiber gibt. Das
Meßgerät 8 gibt damit ebenfalls eine laufende Überwachung des Drahtes wieder. Die
Stellung des Diagramms kann unmittelbar mit der jeweilig gemessenen Längenposition
des Drahtes korreliert werden, so daß Aussagen darüber getroffen werden können,
welche Drahtqualität über die Draht strecke gegeben ist.
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Zu bemerken ist, daß das Recken und Richten des Drahtes bei Dehnung
um 1 % die Qualität nicht etwa vermindert, sondern für viele Bedarfsfälle erhöht.
In den Fällen, wo die Reckung keine Qualitätserhöhung bedeutet, ergibt sie keinesfalls
eine Qualitätsverminderung, sondern kann als neutral gewertet werden.
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Da der Draht während des Walzens und Ziehens mehrere Reckvorgänge
durchläuft, kann das Recken während des Meßvorganges ohne weiteres durch einen Verzicht
bei den vorherigen Arbeitsgängen kompensiert werden.
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In überraschender Weise gelingt durch die Anwendung des Verfahrens
und durch die Vorrichtung gemäß der
Erfindung eine wesentl ich
bessere bberwachungder Drahtqualität und damit Verbesserungder Kundeninformation.