Beseitigung von Rattern beim Kaltziehen von Rohren in der Metallherstellung

Metallverarbeiter sollten nicht darauf warten, bei Kaltziehvorgängen Geräusche zu hören. Die elektronische Erkennung kann einem Geschäft jede Art von Ärger ersparen, bevor er überhaupt beginnt.

Rohrziehvorgänge können erheblich von der Vermeidung von Vibrationen und der Verringerung menschlicher Fehler bei der Erkennung profitieren.

Anstatt darauf zu warten, dass das Rattern zunimmt und möglicherweise Ihre Werkstücke und Werkzeuge beschädigt, ist es am besten, das Rattern bereits im Anfangsstadium zu erkennen und die Ziehgeschwindigkeit sofort zu reduzieren.

Aber was genau ist Chatter und wie verhindert man ihn?

Im Laufe der Jahre hat sich das Kaltziehen zu einem Standardverfahren zur Herstellung präziser Rohrdurchmesser und Wandstärken entwickelt. Rohre mit größeren Durchmessern als der Zielgröße werden durch eine konische Matrize gezogen, um ihren Außen- und Innendurchmesser zu verringern. Neben präzisen geometrischen Ergebnissen steigert die Kaltumformung wichtige Materialeigenschaften wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte.

Um die Qualität des Innendurchmessers besser kontrollieren zu können, wird häufig ein fester oder schwimmender Dorn im Rohr positioniert, wo die konische Matrize das Metall verformt (siehe Abbildung 1). Um ein gleichmäßiges Ziehen zu ermöglichen und die Oberflächenqualität zu verbessern, wird ein Ziehmittel verwendet.

Wenn der Dorn in die Matrize gezogen wird, wird er oft von der festen Stange zurückgezogen, bevor er durch den Rückprall wieder hineingedrückt wird. Diese Dornbewegung führt zu starken, hörbaren Maschinenvibrationen, manchmal mehrere Sekunden lang – dem berüchtigten Rattern.

Dieser Effekt hinterlässt unerwünschte, periodische Ringmarken (Rattermarken) auf der Innen- und Außenfläche des Rohrs. Rohre mit Rattermarken entsprechen nicht den geometrischen Spezifikationen und entweder muss der betroffene Abschnitt herausgeschnitten werden oder das Rohr wird vollständig entsorgt. An heißen Sommertagen kann es aufgrund von Viskositätsänderungen des Ziehmittels mehrmals pro Stunde zu Rattern kommen, was zu Prozessunterbrechungen, hohen Ausschussraten und zusätzlichem Aufwand für die Maschinenbediener führt.

Durch Rattern erhöht sich nicht nur die Menge an Ausschussmaterial, sondern es kann auch zu irreversiblen Schäden an der Matrize führen. In manchen Extremfällen reißen Dorn und Rohr ab und werden durch die enormen Zugkräfte kalt mit der Matrize verschweißt.

Das Ausmaß des Rohrschadens hängt von der Intensität und Dauer des Ratterns ab. Seien Sie also immer bereit, die Ziehgeschwindigkeit zu verlangsamen, sobald Sie es hören.

Jedes Mal, wenn Rattern auftritt, müssen Sie das Produkt visuell auf Schäden prüfen. Es kommt sehr häufig vor, dass mehrere Fuß fehlerhaftes Material vorhanden sind, auch wenn die Maschine langsamer läuft. Es mag verlockend sein, den gesamten Prozess mit einer deutlich niedrigeren Ziehgeschwindigkeit laufen zu lassen, um Rattern insgesamt zu vermeiden, aber das erhöht die Produktionszeit, verringert die Maschinenauslastung und beeinträchtigt möglicherweise den Gewinn des Unternehmens.

ABBILDUNG 1. Dies ist ein Querschnitt einer Ziehmatrize, die mit einem festen Dorn ausgestattet ist. Das Rohr tritt links ein und tritt rechts mit einem geringeren Durchmesser aus.

Eine Möglichkeit, Vibrationen zu erkennen, bevor sie zu dauerhaften Schäden an den Rohren führen, ist ein Hochgeschwindigkeits-Vibrationsanalysesystem. Es analysiert hochfrequente Daten in Echtzeit und übersetzt die Ergebnisse in eine Empfehlung zur Geschwindigkeitsreduzierung der Ziehmaschine.

Bei solchen Messsystemen erfassen piezoelektrische Sensoren Ultraschall-Körperschall. Idealerweise sollte ein Sensor in der Nähe der Signalquelle montiert werden, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen und bei Änderungen am Maschinenaufbau nicht bewegt zu werden. In der Praxis werden Sensoren oft auf einem Matrizenständer über dem Sicherungsring platziert.

Analoge oder digitale SPS steuern den Start und das Ende der Datenanalyse. Während der Ziehzeit wird der Sensorausgang mit einer Rate von 400 bis 800 kHz abgetastet, abhängig von der akustischen Beschaffenheit des Prozesses. Die Daten werden dann in ein Spektrogramm (Zeit x Frequenz x Amplitude) umgewandelt, um Rauschen besser von Rattersignalen zu trennen.

Chatter tritt nicht sofort auf. Vielmehr nimmt seine Intensität meist über mehrere hundert Millisekunden messbar zu. Im Spektrogramm zeigt sich das Rattern zunächst als schwache, breitbandige Wellen, die sich über einen weiten Bereich aufgezeichneter Frequenzen erstrecken und in regelmäßigen Abständen über die Zeit verteilt sind (siehe Abbildung 2). Die Intensität des Ratterns nimmt oft schnell zu, bis es hörbar wird und irreversible Spuren auf dem Rohr hinterlässt.

Algorithmen können entwickelt werden, um die Warnzeichen zu erkennen, die dem Chatter vorausgehen. Da die Daten in ein Spektrogramm übersetzt werden, können Sie Ihre Analyse auf die Frequenzen konzentrieren, bei denen das Signal-Rausch-Verhältnis günstig ist.

In Abbildung 2 ist der Ratter-Erkennungsalgorithmus auf Frequenzen über 150 kHz abgestimmt. Der Algorithmus zählt die Anzahl der Ratter-Ereignisse im aufgezeichneten Ratter-Spektrogramm. Je mehr Ereignisse die sorgfältig definierten Nachweisgrenzen erfüllen, desto höher ist die Anzahl. Irgendwann überschreitet es einen Schwellenwert – nach der ersten Rattererkennung können 200 bis 300 Millisekunden vergehen, bevor der Effekt spürbar wird – und dann erhält die Zeichenmaschine den Aufruf, langsamer zu werden.

Diese Verlangsamung kann entweder durch eine schrittweise Reduzierung erreicht werden – also durch möglichst schnelles Verlangsamen auf eine Zielgeschwindigkeit – oder durch eine schrittweise Reduzierung, die von der Ratterintensität abhängt (hauptsächlich, weil mehr Rattern zu stärkeren Geschwindigkeitsreduzierungen führt). In der Praxis hat eine Reduzierung der Geschwindigkeit um 10 % bis 25 % innerhalb einer halben Sekunde wirksame Ergebnisse bei der Vibrationsdämpfung gezeigt (siehe Abbildung 3). Nachdem das Rattern verschwunden ist, wird die reduzierte Ziehgeschwindigkeit noch einige Sekunden lang beibehalten, bevor die Maschine zur vorherigen Geschwindigkeit zurückkehrt.

Vibrationsbasierte Rattererkennung in Kombination mit vorausschauender Maschinengeschwindigkeitsregelung kann eine Vielzahl von Vorteilen bieten: