We do it straight! Leitfaden für das Richten von Draht

Was ist ein Richtprozeß?

Warum wird Draht gerichtet?

Sie wissen das und verarbeiten Draht mit Richtapparaten bzw. Richtsystemen von WITELS-ALBERT, die in engen Toleranzen und nach dem heutigen Stand der Technik gestaltet und gefertigt sind? Schön und gut, doch Ihre Erwartungshaltung im Hinblick auf die Geradheit oder die Restkrümmung des Drahtes nach dem Richtprozeß ist nicht erfüllt? Warum ist das so und welche Ursachen gibt es dafür? Welche peripheren Prozesse, Apparate und Maschinen besitzen Einfluß auf das Richtergebnis? Wie wird ein gestalteter Richtprozeß bewertet und wie bestimmt sich die Auswahl geeigneter Richtapparate und Richtsysteme? Welche vor- und nachgelagerten Apparate und Maschinen empfehlen sich für spezifische Verarbeitungsprozesse von Draht? Welche Empfehlungen können für die Durchführung eines Richtprozesses gegeben werden? Auf diese und weitere Fragen versuchen die Autoren Antworten zu geben. Neben der Theorie und der Praxis des Richtens steht das Prozeßmaterial Draht im Fokus, da es gleichwertig zu den Apparaten und Maschinen für das Richten das Ergebnis eines Richtprozesses signifikant beeinflußt. Der Leitfaden richtet sich nicht nur an Richter im nicht juristischen Sinn, die täglich Draht verarbeiten, sondern auch an die Hersteller von Draht. Ebenso angesprochen sind die Hersteller von Drahtzieh- und Drahtverarbeitungsmaschinen.

Theorie

Richtprozeß

Richtapparate, Richtsysteme, Richtmaschinen und deren Einzelteile sowie die damit erzielbaren Ergebnisse rücken mehr und mehr in den Mittelpunkt des Interesses.

Die Notwendigkeit des Richtens von Draht ergibt sich aus dem Erfordernis, Krümmungen des Langgutes zu beseitigen, die es während der Herstellprozesse durch mechanische und/oder thermische Einflüsse erfahren hat. In der Regel wird Draht spätestens am Ende des Walz- und Ziehprozesses durch Biegen gekrümmt, aufgewickelt oder aufgespult und so in einer Aufmachung bereitgestellt, die für den Transport des Langgutes zweckmäßig und wirtschaftlich ist. Walzdraht wird verbreitet in Ringen geliefert. Gezogene Drähte gibt es in Ring- oder Bundform, in Fässer oder auf Spulen gewickelt.

Für die Verarbeiter von Draht besitzt das Prozeßmaterial damit zunächst eine Form, die nicht der Form herzustellender Teile entspricht. Die Produktspezifikation einer Fahrradspeiche, einer Schraube oder einer Schenkelfeder weist mindestens ein gerades Segment aus. Ohne das Wirken äußerer Kräfte und Momente besteht die gekrümmte Formkurve des Drahtes weiter. Die Produktspezifikationen der Drahtverarbeiter lassen sich nur dann erfüllen, wenn ein Prozeß Kräfte und Momente bereitgestellt, die zu einer Veränderung der Formkurve des Drahtes führen. Der Richtprozeß stellt diese Kräfte und Momente im Durchlaufverfahren zur Verfügung.

Richten ist das scheinbare Aufheben und Beseitigen von Spannungen, die das Prozeßmaterial Draht bzw. das Richtgut im Laufe seiner Herstellung durch Kraft- und Momenteinflüsse erhalten hat.

Unabhängig von der geometrischen Formkurve des Drahtes ist die Existenz von Längseigenspannungen eine Tatsache. Sie sind es, die über die geometrische Formkurve des Drahtes bestimmen. Durch das Richten mit Hilfe von Richtapparaten, Richtsystemen und Richtmaschinen werden die Längseigenspannungen verändert. Erfahrungsgemäß reichen dafür eine Biegung bzw. wenige Wechselbiegungen aus. Eine Biegung bzw. Wechselbiegung veranschaulicht sich vereinfacht gemäß der schematischen Darstellung.

Bild 1.1: Idealisierte Dehnungs- und Spannungsverteilung bei der Biegung von Prozeßmaterial

Eine vorhandene konvexe Krümmung eines Drahtes wird durch eine Biegung in entgegengesetzter Richtung beseitigt. Unter der Wirkung des Biegemomentes M_bZ verformt sich das Prozeßmaterial elastisch oder elastisch-plastisch.

Bedingung für einen erfolgreichen Richtprozeß ist die elastisch-plastische Verformung des Prozeßmaterialquerschnittes, d. h. der Draht wird bleibend verformt und federt nicht in seine ursprüngliche Formkurve zurück. Idealisiert betrachtet, stellt sich bei einer elastisch-plastischen Verformung über die Querschnitthöhe des Drahtes eine lineare Dehnungsverteilung Epsilon_x und eine nicht lineare Spannungsverteilung Sigma_x ein. Das Prozeßmaterial Draht beginnt an den inneren und äußeren Fasern bzw. den Randzonen plastisch zu fließen bzw. sich bleibend zu verformen. Im Kern verbleibt ein elastischer Anteil bzw. ein Bereich, der nicht bleibend verformt wird. In Folge der elastischen Verformung des Kerns und der plastischen Verformung der Randzonen ergibt sich ohne Wirkung des Biegemomentes bzw. nach der Rückfederung ein Restspannungsverlauf über die Querschnitthöhe, der die resultierende geometrische Formkurve des Drahtes nach der Rückfederung bestimmt und Ausgangszustand für die Spannungsverteilung über die Querschnitthöhe einer Folgebiegung ist.

Wechselbiegung definiert sich als Folge von Biegungen, d. h. an die vorstehend beschriebene Biegung schließt sich mindestens eine weitere Biegung an, deren Richtung jedoch entgegengesetzt zur vorangegangen Biegung ist.

Die Wechselbiegung ist entsprechend vergleichbar mit dem Hin- und Herbiegen von Dingen oder Sachen im Alltag. Das kann z. B. ein Foto sein, das geglättet werden muß oder ein Gartenschlauch, der sich nicht so wie gewünscht verlegen läßt oder ein elektrisches Kabel, das sich vehement sträubt, im Kabelkanal bleibend zu verschwinden.

Gelingt es, das Foto zu glätten und das elektrische Kabel dauerhaft in einen neuen Formzustand zu bringen, so liegt das maßgeblich an der Fähigkeit des jeweiligen Materials bzw. Werkstoffes, eine elastisch-plastische Formänderung zuzulassen. Nicht jedes Material bzw. nicht jeder Werkstoff hat diese Fähigkeit bzw. Eigenschaft. Der aus einem elastischen Kunststoff gefertigte Gartenschlauch besitzt kein Potential für eine bleibende Verformung und läßt sich deshalb nur elastisch, oft widerspenstig, verlegen.

Bedingungen für die elastisch-plastische Verformung eines Drahtes durch das Richten sind demnach die Fähigkeit des Drahtwerkstoffes zu elastisch-plastischer Verformung. Darüber hinaus bedarf es einer angemessenen konstruktiven Gestaltung des Richtapparates, des Richtsystems oder der Richtmaschine, die eine Folge von Biegungen bzw. die Wechselbiegung störungsfrei und im Rahmen eines industriellen Stoffflusses sicherzustellen hat.

Die konstruktive Gestaltung des Richtapparates oder der Richtmaschine hängt von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften des Prozeßmaterials Draht ab. Demnach bestimmt eine festgelegte bzw. determinierte Konstruktion eines Richtapparates oder einer Richtmaschine unabdingbar, welche Drähte mit Erfolg gerichtet werden können und welche nicht.

Bild 1.2: Schematischer Richtprozeß mit Kenngrößen

Jeder Richtapparat, jedes Richtsystem und jede Richtmaschine besitzt demnach einen geometrischen und einen mechanischen Richtbereich, der mit den geometrischen bzw. mit den mechanischen Eigenschaften des Prozeßmaterials Draht korreliert. Wird eine angemessene Konstruktion eines Richtapparates oder einer Richtmaschine unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Prozeßmaterials Draht vorausgesetzt, so bestimmt ausschließlich der Drahtdurchmesser d bzw. der Bereich der Durchmesser der zu richtenden Drähte nach Gleichung 1.1 maßgeblich über Erfolg oder Mißerfolg des Richtprozesses.

Der geometrische Richtbereich Delta besitzt eine zulässige Grenze für die minimal und die maximal zu richtende Querschnittsabmessung des Prozeßmaterials. Für Runddraht sind der minimale Drahtdurchmesser d_min und der maximale Drahtdurchmesser d_max relevant.

Die Kenngrößen des Richtapparates oder der Richtmaschine gemäß Bild 1.2 sind im Hinblick auf einen festgelegten geometrischen und einen festgelegten mechanischen Richtbereich spezifisch definiert, um einen elastisch-plastisch verformbaren Drahtwerkstoff mit Erfolg zu richten.

Bei gegebenem Rollendurchmesser D und gegebener Rollenteilung T ist es für eine bleibende Verformung des Drahtes mit dem Durchmesser d unabdingbar, die in zwei Reihen wechselseitig versetzt angeordneten Richtrollen i spezifisch zu positionieren bzw. relativ zueinander anzustellen. Die Anstellungen a_i der Rollen i sind durch das Bedienpersonal des Richtapparates oder der Richtmaschine angemessen sicherzustellen. Ohne eine angemessene Anstellung der Richtrollen wird der von links nach rechts durch den Richtapparat laufende Draht bestenfalls elastisch verformt (Bild 1.2). Eine Änderung des Krümmungsradius r des einlaufenden Drahtes gelingt dann nicht.

Für die Bemessung der Rollenteilung T gelten unter Berücksichtigung des Drahtdurchmessers d und des Rollendurchmessers D Erfahrungswerte, die die Tabelle 1.1 für diskrete Werte des Drahtdurchmessers d exemplarisch dokumentiert.

Tabelle 1.1: Rollenteilung T in Abhängigkeit des Rollendurchmessers D für exemplarische Drahtdurchmesser d

An der Schnittstelle zwischen Richtrolle und Richtgut entstehen Reaktions- bzw. Prozeßkräfte, die auf das im Prozeßmaterial bei Verformung vorhandene Biegemoment zurückgehen.

Relevante Prozeßkräfte des Richtens sind die Richtkräfte und die Zugkräfte. Die Richtkräfte wirken abhängig von den geometrischen Randbedingungen in unterschiedlicher Richtung und Größe. Sie korrelieren mit den Zugkräften, die beeinflußt von den Randbedingungen als Vorwärtszugkraft bzw. Transportkraft und Rückwärtszugkraft auftreten.

Um die zum Transport eines Drahtes relativ zum Richtsystem erforderliche Transportkraft berechnen zu können, ist die jeweils in einem Richtapparat geleistete plastische Verformungsarbeit zu bestimmen. WITELS-ALBERT nutzt hierfür ein Prozeßsimulationsprogramm, das reale Rollenrichtprozesse unter Nutzung von mathematisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten virtuell abbildet.

Bild 1.3: Schematische Verarbeitung von Draht

Sind dem Richtprozeß technologische Operationen vor- und/oder nachgelagert (Bild 1.3), müssen für die Ermittlung der Gesamttransportkraft die bei den einzelnen Operationen vorhandenen Transportkraftanteile berücksichtigt werden. Zur Erreichung einer hohen Fertigproduktqualität in einer Ver- oder Bearbeitungslinie ist es von Vorteil, eine möglichst konstante Transportkraft unmittelbar in Umgebung der Ver- oder Bearbeitung sicherzustellen. Das gilt natürlich auch für den Richtprozeß.

Für jeden der in Bild 1.3 dokumentierten Teilprozesse

  • Abwickeln,
  • Führen,
  • Transportieren,
  • Richten und
  • Verarbeiten

ist also wünschenswert, eine möglichst konstante Kraft in Durchlaufrichtung des Prozeßmaterials von links nach rechts sicherzustellen.

Die für die Auslegung und Nutzung eines Richtapparates oder einer Richtmaschine wichtigste Richtkraft an einer biegewirksamen Richtrolle i ist die radiale Richtkraft, die sich aus den Reaktionskräften in der x-y-Ebene gemäß Bild 1.2 ergibt.

Die Richtrollen müssen den Reaktionskräften standhalten und sie müssen es gestatten, die gewünschte Geschwindigkeit des Drahtes sicherstellen zu können. Das Spektrum der Drahtgeschwindigkeit ist groß. Werden im Bereich der Verarbeitung von Draht eher Geschwindigkeiten unter v = 10 m/s realisiert, so sind im Bereich der Herstellung von Draht, wie dem Ziehen oder dem Umspulen, Geschwindigkeiten anzutreffen, die bis auf v = 40 m/s ansteigen können.

Die Geschwindigkeit mit der ein Draht durch einen Richtapparat oder eine Richtmaschine läuft, steht in direkter Beziehung zur Verformungsgeschwindigkeit des Prozeßmaterials, die der Ableitung des Verformungsgrades nach der Zeit entspricht. Exemplarische Richtversuche bei differenzierten Geschwindigkeiten des Prozeßmaterials zeigen, daß sich die Restkrümmung sowie weitere Parameter des Richtprozesses bis zu einer Geschwindigkeit von ca. v = 10 m/s nicht signifikant ändern. Bei Geschwindigkeiten oberhalb dieses Grenzwertes folgt bei identischer Anstellung eine sich ändernde Verformung.

Prozeßmaterial Draht

Die Erreichung spezifischer geometrischer und mechanischer Kenngrößen für eine Draht ist Zielsetzung des Walzprozesses und Zielsetzung des sich an den Walzprozeß anschließenden Ziehprozesses.

Im Walzwerk wird Draht warm aus einem Knüppel in mehreren Walzstichen bis auf den minimal möglichen Durchmesser von d = 5,5 mm gewalzt. Für eine gute Verformung und Streckung des Prozeßmaterials unter Einhaltung des Gesetzes der Volumenkonstanz sowie für ein gutes Gefüge ist es unabdingbar, die einzelnen Stiche mit jeweils spezifisch kalibrierten Walzen durchzuführen. Relevante Kaliber sind neben dem Rundkaliber das Oval- und das Spitzkantkaliber (Raute). Die Endwalzgeschwindigkeit moderner Walzdrahtstraßen beträgt bis zu v = 120 m/s. Am Ende einer Walzdrahtstraße dient ein Windungsleger für die Herstellung der Ringform, die auf ein Transportband aufgefächert, die Gestaltung der Aufmachung in Form eines Bundes ermöglicht. Die auf dem Transportband aufgefächerten Windungen werden in der Regel spezifisch abgekühlt. Bedingt durch die Fächerform überlappen sich die Windungen, so daß über die Länge des Drahtes unterschiedliche Bedingungen für die Abkühlung resultieren. In Folge der unterschiedlichen Abkühlung ergeben sich über die Länge des Drahtes auch differenzierte Kenngrößen für einen Draht.

Im Anschluß an den Walzprozeß wird der Draht kalt auf Trocken- und Naßziehmaschinen weiter im Querschnitt reduziert. Die Umformung durch Ziehen auf Ziehmaschinen basiert auf dem Wirkprinzip des Keils, das durch Ziehsteine bzw. Ziehhole sichergestellt wird. Für den Transport des Drahtes sorgen durch Aktoren angetriebene Ziehblöcke (Bild 1.4).

Bild 1.4: ziehmaschine mit Ziehsteinkästen, Führungen und Ziehblöcken

Die für die Verformung erforderliche Querkraft wird durch das Aufprägen der äußeren Ziehkraft erzeugt und greift infolge der Neigung der Ziehholwandung und der Reibung zwischen Prozeßmaterial und Ziehholoberfläche unter einem spezifischen Winkel zur Normalrichtung an der Berührungsfläche Prozessmaterial/Ziehhol an. Auf Grund der Keilübersetzung, die sich aus dem Zieh- und dem Reibungswinkel ergibt, beträgt die Normalkraft das vier- bis siebenfache der Ziehkraft. Danach erfolgt die Umformung beim Ziehen überwiegend durch die über die Normalkraft im Werkstoff hervorgerufenen radialen und tangentialen Druckspannungen und weniger durch die von der Ziehkraft erzeugten axialen Zugspannungen. Prozeßbedingt entstehen im Draht unvermeidlich Längseigenspannungen. Im Kern ergeben sich in der Regel Zugeigenspannungen wohingegen die Randschicht Druckeigenspannungen aufweist. Dies führt zu einer Verringerung der Dauerfestigkeit des Drahts. Kommen zwischen den Ziehblöcken Richtapparate zur Anwendung, bewirken die elastisch-plastischen Wechselverformungen eine Umverteilung der inneren Spannungen, womit sich eine Erhöhung der Dauerfestigkeit der Drähte verbindet.

Der vorstehende Abriß zur Herstellung von Draht verdeutlicht, daß die Eigenschaften bzw. Kenngrößen eines Drahtes über die Länge unterschiedlich sind. Eine diskontinuierliche Ermittlung der geometrischen und mechanischen Kenngrößen, wie sie in der Praxis der Drahtindustrie realisiert wird, liefert entsprechend nur Momentaufnahmen bzw. einen Stichprobenumfang, der nicht oder, unter Einbeziehung von Methoden der Statistik, nur wenig repräsentativ für die Eigenschaften des Prozeßmaterials über die Länge ist.

Die geometrischen Kenngrößen

  • Drahtdurchmesser d,
  • maximaler Krümmungsradius r_max,
  • minimaler Krümmungsradius r_min und
  • Helix H

werden durch direkte Messung mit Hilfe von Meßmitteln wie Maßschieber, Bügelmeßschraube und Stahlmaßstab identifiziert oder sie werden aus gemessenen Zwischengrößen berechnet.

Bild 1.5: Messung der Überhöhung f über die Länge l

Der Drahtdurchmesser d wird direkt gemessen. Die Krümmungsradien r_max und r_min folgen entweder aus den gemessenen Halbmessern der größten und der kleinsten Drahtwindung oder aus Berechnungen unter Nutzung der Zwischengrößen Überhöhung f und Länge l nach Bild 1.5. So ergeben sich für eine gegebene Länge l aus der kleinsten Überhöhung f_min der maximale Krümmungsradius r_max bzw. die minimale Krümmung k_min nach Gleichung 1.2 und aus der größten Überhöhung f_max der minimale Krümmungsradius r_min bzw. die maximale Krümmung k_max nach Gleichung 1.3.

Gleichung 1.2 und Gleichung 1.3 drücken aus, daß die Krümmung k der reziproke Wert des Krümmungsradius r ist. Der Betrag der Differenz zwischen der maximalen Krümmung k_max und der minimalen Krümmung k_min ergibt den sogenannten Krümmungsbereich Δk (Gleichung 1.4).

Bei einer Krümmung in der zweiten Dimension besitzt das Prozeßmaterial eine Helix H, die in Anlehnung an eine Schraubenlinie durch einen Radius sowie eine Steigung gekennzeichnet ist. Der Unterschied zwischen einem Draht mit und ohne Helix ist in Bild 1.6 von Willy Wire humoristisch veranschaulicht. Wie der Krümmungsradius r kann sich auch die Helix H über die Länge des Drahtes ändern.

Bild 1.6: Draht mit und ohne Helix (rechts)

Sind die geometrischen Kenngrößen eines Drahtes bekannt, können die mechanischen Kenngrößen durch den Zugversuch gemäß DIN EN 10 002 ermittelt werden. Der Zugversuch ist ein statisches Prüfverfahren, bei dem ein Drahtabschnitt einer steigenden Zugbelastung in Richtung seiner Längsachse unterworfen wird. Der Drahtabschnit besitzt als sogenannte Zugprobe eine bestimmte Versuchslänge, die größer als die Meßlänge l ist. Über Spannvorrichtungen einer Prüfmaschine wird die Zugprobe in Längsrichtung bis zum Versagen belastet. Die von der Prüfmaschine aufgebrachte Zugkraft F_Z und die Längenänderung Δl der eingespannten Zugprobe über die Meßlänge werden während eines Versuches gemessen. Unter Nutzung der geometrischen Kenngrößen Drahtdurchmesser, Meßlänge und Längenänderung über die Meßlänge erfolgt die Berechnung und Darstellung der Ergebnisse in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das charakteristisch für das Verhalten des Drahtabschnittes gegenüber äußerer Zugbelastung ist (Bild 1.7).

Bild 1.7: Spannungs-Dehnungs-Diagramme

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm dokumentiert die Zugspannung R als Reaktion des Werkstoffes/Werkstückes gegen die aufgebrachte äußere Belastung als Funktion der Dehnung ϵ, die dem Quotient aus der Längenänderung über die Meßlänge und der Meßlänge entspricht (Gleichung 1.5).

Die Zugspannung entsteht als innere Widerstandskraft bezogen auf die Querschnittsfläche A des Drahtabschnittes und leitet sich entsprechend aus dem Quotient dieser beiden Parameter ab (Gleichung 1.6).

Im Hinblick auf die Bewertung existierender und die Gestaltung neuer Richtprozesse interessieren insbesondere die mechanischen Kenngrößen

  • technische Dehngrenze R_p_0,2,
  • Elasitizitätsmodul E und
  • Verfestigungsmodul V.

Die technische Dehngrenze R_p_0,2 repräsentiert für gezogenen Draht die Spannung bei nichtproportionaler Dehnung von 0,2% und identifiziert als Beanspruchungskenngröße die Grenze zwischen elastischer und plastischer Verformung. Sie gilt deshalb als wichtigste mechanische Kenngröße für Verformungsprozesse.

Die Zugfestigkeit R_m, deren Bestimmung diverse Normen zu Lieferbedingungen für Draht vorschreiben, kann die Bedeutung der technischen Dehngrenze nicht ersetzen, da die Zugfestigkeit der Spannung entspricht, die das Versagen durch eine Änderung des Querschnittes identifiziert. Dieser Zustand oder das Versagen bei anhaltender Belastung durch Bruch ist für viele Verformungsprozesse nicht erwünscht. Vor diesem Hintergrund spielt die Zugfestigkeit für Richtprozesse nur eine untergeordnete Rolle.

Der Drahtabschnitt bzw. die Zugprobe verformt sich unmittelbar nach Beginn des Zugversuches bis zu einer spezifischen Belastung elastisch, d. h. zwischen der Längenänderung über die Meßlänge und der Belastung besteht Proportionalität (Bild 1.7). Diese Proportionalität ist als Hookesches Gesetz bekannt, wobei mit Bezug auf das Spannungs-Dehnungs-Diagramm auch von der elastischen oder der Hookeschen Gerade gesprochen wird. Der Anstieg der Geraden entspricht dem Elastizitätsmodul. Wird die Belastung nach rein elastischer Beanspruchung der Zugprobe zurückgenommen, nimmt die Probe wieder den ursprünglichen Formzustand bzw. die ursprüngliche Länge an. Die Größe des Elastizitätsmoduls ist neben dem Werkstoff vom Verarbeitungszustand bzw. den an der Herstellung beteiligten Prozessen abhängig. Warmgewalzte Stähle besitzen in der Regel einen Elastizitätsmodul von 210000 MPa. Gezogene Stahldrähte erreichen diesen Wert nicht. Die Ziehfolge bzw. die Gestaltung der Reduzierung des Drahtquerschnittes, die Ziehgeschwindigkeiten sowie andere Faktoren haben wesentlichen Einfluß auf die Größe des Elastizitätsmoduls. Der Verfestigungsmdoul V ist die Entsprechung des Elastizitätsmoduls im plastischen Verformungsbereich, der durch Nichtproportionalität zwischen der Längenänderung über die Meßlänge und der Belastung gekennzeichnet ist. Die Gerade, aus dessen Anstieg sich der Verfestigungsmodul ableitet, wird unter Nutzung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt. Erfahrungsgemäß werden bei Stahldrähten für den Verfestigungsmodul V Werte erreicht, die ca. 10% bis 30% des Elastizitätsmoduls E betragen.

Richtapparate und -systeme

Die Krümmung des Prozeßmaterials bestimmt über den Einsatz eines Richtapparates oder eines Richtsystems.

Richtapparate

Bedingt durch die Anordnung der Rollen in einem Richtapparat in einer Ebene (Bild 1.2) können nur Krümmungen in einer Ebene, d. h. eindimensionale Krümmungen beeinflußt werden (Gleichung 1.4). Es ist demnach grundsätzlich nicht möglich, mit einem einzelnen Richtapparat mehrdimensional gekrümmten Draht erfolgreich zu verarbeiten, sofern Zielsetzungen wie die Produktion geraden Drahtes oder die Produktion definiert gekrümmten Drahtes bestehen. Die konstruktive Gestaltung eines Apparates bestimmt den Prozeß und die Erreichung einer Zielsetzung, wobei zu berücksichtigen ist, daß ein spezifischer Richtapparat nur für einen Abmessungsbereich des Prozeßmaterials tauglich ist (Gleichung 1.1).

Diese scheinbar trivialen Zusammenhänge werden vielfach nicht respektiert. So ist es tägliche Praxis, ohne Rücksicht auf die Krümmungsebene des Prozeßmaterials irgendwelche Richtapparate in irgendeiner Einbaulage beliebig in technologische Linien zur Verarbeitung von Draht einzufügen. Die daraus resultierenden Probleme wie entstehende zweidimensionale Krümmungen, hohe Eigenspannungen und nachteilige Werkstoffeigenschaften potenzieren sich in nachfolgenden Prozessen zu einer Fertigproduktgüte, die die Bezeichnung Qualität nicht mehr verdient.

Oftmals traditionell gestaltete Prozesse und gewachsene Pfade des Prozeßmaterials werden beibehalten, die negativen Folgen toleriert, obwohl der geänderte Stand der Technik bzw. der Erkenntnisse ein anderes Verhalten erwarten lassen. Gemäß dem Motto „Der Richtapparat wird es schon richten!“ wird gedankenlos gehandelt und allzu häufig suggeriert, daß der Richtapparat mangelhaft oder untauglich ist.

Eine gedankenlose Auswahl und eine unüberlegte Anordnung eines Richtapparates sind nicht mehr zeitgemäß und empfehlen sich nicht. Bleibt die Anordnung zunächst unberücksichtigt, so gilt es neben der Bestimmung der Baugröße des Richtapparates, Festlegungen zu den Merkmalen

  • Anzahl der Richtrollen,
  • Prinzip der Rollenverstellung und
  • Schnellverschluß

zu treffen. Zu Bedenken ist, daß sich die technische Realisierung von Merkmalen in einem Richtapparat mitunter ausschließt. So ist es beispielsweise nicht sinnvoll, eine große Anzahl von Richtrollen mit dem Merkmal des Schnellverschlusses zu paaren, da die erforderliche Verschlußkraft, insbesondere bei der Verarbeitung größerer Drahtdurchmesser, zu groß und so eine adäquate Gestaltung und Realisierung eines Schnellverschlusses nicht wirtschaftlich ist.

Welche Faktoren und Randbedingungen beeinflussen nun die Gestaltung und Ausführung sowie die Notwendigkeit der vorstehenden Merkmale? Ohne Zweifel sind die geometrischen und die mechanischen Kenngrößen des Prozeßmaterials Draht zu nennen. Hinzu kommen die Zielsetzungen des Richtprozesses, die Geschwindigkeit des Drahtes, technische Randbedingungen, wie der zur Verfügung stehende Bauraum, die Einlaufhöhe des Drahtes, der Einsatzort, die Verfügbarkeit von Medien wie Elektrizität, Druckluft oder Öldruck. Auch die Qualifikation des Bedienpersonals und Vorstellungen zur Nutzung eines Richtapparates sowie die Verkettung mit vor- und nachgelagerten Prozessen und technischen Einrichtungen gehen in die Gestaltung und Ausführung sowie in die Notwendigkeit der Umsetzung der Merkmale ein.

Empfehlungen zur erforderlichen Anzahl der Richtrollen sind sehr überschaubar verfügbar und geben Anlaß zur Umsetzung eines alternativen Ansatzes, der die Dehngrenze R_p_0,2 und den Bereich des Krümmungsradius Δr als Eingangsgrößen nutzt. Unter Einbeziehung der Gleichung 1.2 und der Gleichung 1.3 folgt der Bereich des Krümmungsradius nach Gleichung 2.1.

Statt einer scharfen Berechnungsvorschrift mit eingeschränktem Gültigkeitsbereich kommt die Fuzzy-Logik zum Einsatz. Ein Fuzzy-System besteht aus den Komponenten Fuzzifizierung, Inferenz und Defuzzifizierung. Sowohl die Eingangsgrößen als auch die Ausgangsgröße eines derartigen Systems weisen scharfe Werte auf. Der Mechanismus, über den von den scharfen Eingangsgrößen auf die scharfe Ausgangsgröße geschlossen wird, ist jedoch unscharf. Eine Anwendung der Fuzzy-Theorie ist immer dann von Vorteil, wenn die Komplexität eines Systems groß ist, es durch mathematische Zusammenhänge nur schwer beschrieben werden kann oder wenn es nichtlinear und/oder zeitvariant ist. Mit Blick auf die diffizilen Möglichkeiten der mathematischen Ermittlung der Rollenanzahl wird alternativ eine Wissensbasis genutzt, die aus den linguistischen Termen der Ein- und Ausgangsgrößen (Zugehörigkeitsfunktionen), der Regelbasis sowie dem Inferenz und Defuzzifizierungsmechanismus besteht. Das in das Fuzzy- System eingebrachte Wissen resultiert aus empirisch gewonnenen sowie in verbaler Form formulierten Gesetzmäßigkeiten und stützt sich darüber hinaus auf Ergebnisse des praktischen Einsatzes der virtuellen Abbildung des Richtprozesses unter Nutzung eines Simulationsprogramms.

Bild 2.1: Fuzzy-System zur Ermittlung der Rollenanzahl n

Bild 2.1 informiert über die Struktur des Fuzzy-Systems. Über die Regelbasis sind die Eingangsgrößen Δr und R_p_0,2 mit der Ausgangsgröße n, die die Anzahl der Richtrollen repräsentiert, verknüpft. Ein scharfer Wert für die Eingangsgröße Bereich des Krümmungsradius Δr kann nach Gleichung 2.1 ermittelt werden.

Bild 2.2: Zugehörigkeitsfunktion der Eingangsgröße Δr

Die Zugehörigkeitsfunktionen der Eingangsgrößen sowie die der Ausgangsgröße sind mit Bild 2.2, Bild 2.3 und Bild 2.4 festgelegt.

Bild 2.3: Zugehörigkeitsfunktion der Eingangsgröße R_p_0,2

Die Unschärfe zeigt sich hier insbesondere dadurch, daß die jeweiligen Mengen der Größen ineinander übergehen. So wird eine Dehngrenze R_p_0,2 = 800 MPa zu 33 % (Zugehörigkeitsgrad μ = 0,33) der Menge very_small und zu 67 % (Zugehörigkeitsgrad μ = 0,67) der Menge small zugeordnet. Die Regelbasis besteht aus 25 Regeln, die jeweils Wissen in der standardisierten Form „WENN Bedingung 1 UND Bedingung 2 DANN Handlungsanweisung 1“ verkörpern.

Bild 2.4: Zugehörigkeitsfunktion der Ausgangsgröße n

Mit dem Einsatz eines geeigneten Inferenzmechanismus sowie einer spezifischen Defuzzifizierungsmethode ergibt sich ein spezifisches Übertragungsverhalten gemäß des aktuellen Hintergrundbildes (Bild 2.5). Damit kann jederzeit für einen Satz scharfer Eingangsgrößen eine scharfe Ausgangsgröße generiert werden.

Die Tabelle 2.1 vermittelt für einige diskrete Werte der Eingangsgrößen Dehngrenze R_p_0,2 und Bereich des Krümmungsradius Δr abgeleitete Werte für die Anzahl der Richtrollen n. Bei Betrachtung der Empfehlungen für die Anzahl der Richtrollen ist erkennbar, daß sich die erforderliche Rollenanzahl proportional mit dem Bereich des Krümmungsradius und der Dehngrenze erhöht. Hochfester Draht ist demnach mit Richtapparaten zu verarbeiten, die mindestens 11 Richtrollen besitzen. Eine höhere Rollenanzahl begünstigt auch geometrisch vorteilhafte Formkurven des Drahtes zu vor- und nachgelagerten Prozessen und Einrichtungen.

Tabelle 2.1: Anzahl der Richtrollen n über Fuzzy-Logik

Neben dem Richtbereich und der Anzahl der Richtrollen bestimmt die Art und Weise der Positionierung der Richtrollen maßgeblich den Richtprozeß, da über die Positionen der Richtrollen die Biegeoperationen und damit die Restkrümmung beeinflußt werden. WITELS-ALBERT hat verschiedene Technologiestufen entwickelt, die sich durch den Grad der Automatisierung unterscheiden. Bei der konventionellen Richttechnik dienen einfache Werkzeuge der Rollenpositionierung. Möglich sind auch Verstellelemente, die mit einer Positionsanzeige oder Nonius ausgerüstet sind.

Mit entwickelter Richttechnik, die sich durch einen höheren Grad der Automatisierung auszeichnet, können die Richtrollen in kurzer Zeit genau und reproduzierbar positioniert werden. Software ist unabdingbarer Bestandteil eines solchen Gesamtsystems.

Vorteil von Richtapparaten und –systemen, die einen höheren Automatisierungsgrad besitzen, ist die Möglichkeit, die Richtrollen definiert und reproduzierbar zu verstellen. Gleichzeitig ist jederzeit eine Identifikation der Rollenpositionen möglich.

Bild 2.6: Teilautomatisierte Richttechnik

Bild 2.6 dokumentiert ein Beispiel für teilautomatisierte Richttechnik, die in zwei übereinander angeordneten Linien Flachdrähte in einer Breite bis 4,5 mm und einer Dicke bis 1,5 mm verarbeitet.

Zielsetzung ist die Produktion von Richtgut mit einer ein- oder zweidimensionalen Krümmung. Kern des Gesamtsystems ist eine SPS, die in Interaktion mit dem Bedienterminal, der implementierten Software sowie Nutzereingaben die jeweiligen Richtprozesse automatisiert gestaltet.

Um für ein großes Spektrum von Richtgut und auch Fertigprodukten in kurzer Zeit eine Einstellung der Maschine sicherzustellen, werden 500 Datensätze genutzt und verwaltet, wobei jeder Datensatz aus 40 Daten besteht.

Eine Änderung der Rollenpositionen bei Richtapparaten erfolgt unter Nutzung von Verstellmechanismen, die jeweils die Rotation eines Verstellelementes in eine translatorische Bewegung mindestens einer Richtrolle umsetzen oder die ausschließlich auf reiner Translation mindestens einer Richtrolle beruhen. Große Verbreitung haben Mechanismen, die sich der Rotation und der Translation bedienen.

Relevante technische Ausführungsformen der Positionierung von Richtrollen sind die Leisten- und die Einzelanstellung. Bei der Leistenanstellung, wie sie auch bei der teilautomatisierten Richttechnik gemäß Bild 2.6 realisiert ist, sind die Rollen mindestens einer Reihe in Linie fest auf einer Leiste appliziert, die durch Rotation und Translation in der Position veränderbar ist. Bedingt durch die mögliche Rotation der Leiste ergibt sich in Abhängigkeit des Winkels eine unterschiedliche Teilung T zwischen den Rollen eines Richtapparates.

Bei der Einzelanstellung können einzelne Rollen positioniert werden. Verbreitet sind Apparate, bei denen die Rollen einer Reihe fix, die der anderen Reihe einzeln anstellbar sind, sowie Apparate, die über Rollen verfügen, die alle positioniert werden können. Mit der Einzelanstellung aller Rollen eines Richtapparates wird der höchste Freiheitsgrad in Bezug auf die Einstellmöglichkeiten erreicht. Die Praxis bestätigt beste Richtergebnisse, wenn der Betrag der Rollenanstellung |a_i| gemäß Bild 1.2 vom Einlauf zum Auslauf nach einer Exponentialfunktion vermindert wird. Auf diese Weise läßt sich die Krümmung an den einlaufseitigen Rollen (Vorbiegebereich) schnell und wirkungsvoll auf einen spezifischen Wert reduzieren, der an den verbleibenden auslaufseitigen Rollen (Richtbereich) zur gewünschten Restkrümmung führt.

Die vorteilhafte Einzelverstellung nutzt verbreitet sogenannte Bewegungsschrauben oder Spindelmechanismen, die als Getriebe mit guter Selbsthemmung jeweils ein Drehmoment M_iG in eine Anstellkraft F_iA übersetzen. Kennwerte eines derartigen Getriebes sind der Gewindeflankendurchmesser d_iF, der mittlere Steigungswinkel α_im und der Reibwinkel ρ′_i. Mit der Winkelgeschwindigkeit ω_iG bzw. der Spindeldrehzahl n_iG ergibt sich die für die Verstellung einer Rolle i minimal erforderliche Leistung P_i nach Gleichung 2.2.

Die Anstellkraft FiA folgt aus der Verformung des Prozeßmaterials im Einflußbereich der zu positionierenden Richtrolle i. Sie entspricht dem Betrag der Richtkraft |F_iR |, die an der Berührungsstelle des Prozeßmaterials mit der Richtrolle in Korrelation mit Reaktionskräften steht (Gleichung 2.3).

Zur Vereinfachung sollen bei der Verformung von Draht nur die Reaktionskräfte in der vertikal zur Rollenachse stehenden Ebene (nach Bild 1.2 die x-y-Ebene) einbezogen werden. Die Betrachtung des quasistatischen Falls gestattet es, äußere Kräfte und die tangentiale Reaktionskraft F_it zu vernachlässigen, so daß die radiale Reaktionskraft an der Richtrolle der resultierenden Richtkraft entspricht (Bild 2.7, a)). Bleibt zudem die um ΔT geänderte Teilung unberücksichtigt, bildet sich die Richtkraft F_iR nur aus der vertikalen Komponente der resultierenden Richtkraft F_iver (Gleichung 2.4, Bild 2.7, b)).

Gleichgewichtsbetrachtungen unter Berücksichtigung der Biegemomente an den Rollen (Bild 2.7, c)) und der Teilungen führen zur Berechnung des Betrages der bezogenen Richtkraft |F*_iR| nach Gleichung 2.5.

Bild 2.7: Kräfte und bezogenes Biegemoment M*_i = f(x)

Die Verwendung von bezogenen dimensionslosen Größen, die durch einen Stern gekennzeichnet sind, vereinfacht die Berechnung. Bezugsgrößen sind die den jeweiligen Verformungs-, Spannungs- und Belastungsgrößen entsprechenden Werte an der Grenze von der elastischen zur plastischen Formänderung. Mit dem maximal elastischen Biegemoment des Prozeßmaterials M_S, in das die Dehngrenze R_p_0,2 und das Widerstandsmoment des kreisrunden Prozeßmaterials eingehen, ergibt sich das bezogene maximale Biegemoment an der Rolle i gemäß Gleichung 2.6.

Für die Anstellkraft F_iA (Gleichung 2.3) bzw. den Betrag der natürlichen Richtkraft |F_iR| gilt Gleichung 2.7.

Aus der Summe der Anstellkräfte eines Richtapparates mit n Rollen resultiert die Gesamtkraft F_G, die ein Schnellverschluß zur Verformung eines Drahtes leisten muß (Gleichung 2.8). Ein Schnellverschluß unterstützt die Bedienung eines Richtapparates und die reproduzierbare Einstellung der Richtrollen, z. B. beim Einfädeln eines neuen Drahtes, der gegenüber dem zuvor genutzten Draht unveränderte Kenngrößen besitzt.

Abhängig von der Größe der Gesamtkraft F_G empfehlen sich spezifische Konstruktionen für die Umsetzung eines Schnellverschlusses für einen Richtapparat. Große Verbreitung haben Ausführungsformen, die mindestens einen Exzenter nutzen, wie Sie z. B. bei Richtapparaten der Serie ER, RS oder DRS zum Einsatz kommen.

Alternativen zum Exzenter sind Bewegungsschrauben oder Spindelmechanismen, wie sie im nebenstehenden Bild 2.8 (Richtapparat der Serie ERS) dargestellt sind. Diese Lösungen beruhen auf der Wirkung des Keiles oder sie nutzen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder.

Mit dem Einsatz von Zylindern zur Aufbringung der Verschlußkraft, wie in Bild 2.9 (Richtmaschinen der Serie ERS H) dokumentiert, endet die technische Kategorie der Richtapparate. Die Richtlinie 2006/42/EG deklariert eine Gesamtheit verbundener Teile als Maschine, wenn sie mit einem anderen Antriebssystem als die unmittelbar eingesetzte menschliche oder tierische Kraft ausgestattet oder dafür vorgesehen sowie wenn mindestens ein Teil beweglich ist. Auch teilautomatisierte Richttechnik gemäß Bild 2.6, die Aktoren zur Positionierung von Richtrollen nutzt, erfüllt entsprechend den Anwendungsbereich der vorgenannten Maschinenrichtlinie, die für die EU-Staaten und die EFTA-Staaten Island, Liechtenstein, Norwegen sowie für die Schweiz gilt.

Als unvollständige Maschinen im Sinne der Richtlinie 2006/42/EG werden Richtmaschinen ohne Schutzeinrichtung und ohne Steuerung geliefert. Für jede Richtmaschine wird eine Einbauerklärung in der Landessprache des Auftraggebers und eine Montageanleitung in einer Sprache der EU erstellt und der Lieferung beigelegt. Richtmaschinen besitzen eine Maschinenkennzeichnung und tragen ein Maschinenschild ohne CE-Kennzeichen (Bild 2.10). Das Maschinenschild dokumentiert die Anschrift des Herstellers, die Maschinenbenennung, die Maschinennummer, den Drahtdurchmesserbereich, die Leistung und den maximalen Druck, das Gewicht der Maschine sowie das Jahr der Herstellung.

Bild 2.10: Maschinenschild einer unvollständigen Maschine

Die Montageanleitung informiert über die Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit die bezeichnete unvollständige Maschine ordnungsgemäß und ohne Beeinträchtigung der Sicherheit und Gesundheit von Personen mit anderen Teilen zu einer vollständigen Maschine zusammengebaut werden kann. Jede Montageanleitung enthält Informationen und Anweisungen zu den folgenden Schwerpunkten:

  • Hinweise, Sicherheit und Restrisiken
  • Merkmale und Daten
  • Aufstellen
  • Handhabung und Verwendung
  • Wartung, Reinigung und Instandhaltung
  • Außerbetriebnahme, Demontage und Entsorgung

Die bestimmungsgemäße Verwendung einer jeden unvollständigen Maschine ist es, mit anderen unvollständigen Maschinen (z. B. trennenden oder nicht trennenden Schutzeinrichtungen und Steuerung/en) zu einer funktionsfähigen und vollständigen Maschine zusammengebaut oder komplettiert zu werden. Zur Komplettierung oder zum Einbau der unvollständigen Maschine in eine vollständige Maschine sind die in der Montageanleitung gegebenen Hinweise und Bedingungen zu beachten und sicherzustellen. Entsprechend ist die Montageanleitung vor der Komplettierung oder dem Einbau der unvollständigen Maschine und vor der Inbetriebnahme zu lesen und zu verstehen. Bei Unverständnis oder Unsicherheit im Verstehen der Montageanleitung ist der in der Einbauerklärung der unvollständigen Maschine benannte Dokumentationsbevollmächtigte des Herstellers schriftlich und detailliert zu befragen. Der sich an die Befragung anschließende Kommunikationsprozeß ist zu dokumentieren und mit der Zielsetzung zu führen, daß Verständnis vollständig herzustellen. Die System- und Prozeßführung der unvollständigen Maschine wird von der Elektrik, der Hydraulik, der Pneumatik, der Hardware, der Software, den Schutzeinrichtungen, von peripheren Elementen der vollständigen Maschine, von vor- und nachgelagerten Maschinen, von Nutzervorgaben etc. bestimmt. Für die Gestaltung dieser Teilsysteme und Maschinen sowie für mögliche Nutzervorgaben, die nicht zu einer Beeinträchtigung der Sicherheit und Gesundheit von Personen führen dürfen, gilt die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG sowie anhängige Normen und Rechtsgrundlagen, für deren Einhaltung und Berücksichtigung sich der Gestalter und der Betreiber der vollständigen Maschine oder Anlage verantwortlich zeichnen, in die eine unvollständige Maschine der WITELS-ALBERT GmbH eingebaut wird. Die Anstellkraft F_iA gemäß Gleichung 2.3 bewirkt eine Ausfederung des Mechanismus zur Rollenverstellung. Bei angemessener Konstruktion eines Richtapparates oder einer Richtmaschine ist die Auffederung vernachlässigbar klein. Eine geringe Auffederung bzw. eine ausreichende Steifigkeit gilt als Qualitätsmerkmal für Richtapparate und -maschinen, da sie mit für die exakte Sicherstellung der Rollenpositionen unter Last einsteht. Mitunter ist es dennoch ratsam, die obere Grenze des gegebenen Richtbereiches eines Richtapparates oder einer Richtmaschine nicht auszunutzen, insbesondere dann, wenn Draht mit einer hohen Dehngrenze R_p_0,2 zu verarbeiten und der Verschleiß zu minimieren ist.

Bild 2.11: Kraft-Auffederungskennlinien eines Richtapparates

Im Zweifelsfall ist in die Auswahl der Baugröße eines Richtapparates oder einer Richtmaschine immer der Hersteller einzubeziehen. Abhängig von den eingangs erläuterten Kenngrößen des Prozeßmaterials Draht und weiteren Einflußfaktoren wird er die erforderlichen Berechnungen durchführen und vor dem Hintergrund der Ergebnisse der Berechnungen die Auswahl treffen.

Richtsysteme

Mehrdimensional gekrümmter Draht, wie er in Bild 1.6 links dargestellt ist, wird mit einem Richtsystem gerichtet. Ein Richtsystem besteht aus mindestens zwei Richtapparaten, die das Prozeßmaterial Draht in Durchlaufrichtung nacheinander in mindestens zwei Dimensionen bzw. Ebenen elastisch-plastisch verformen. Entsprechend besitzt mindestens ein Richtapparat horizontale Rollenachsen und mindestens ein verbleibender zweiter Richtapparat des Richtsystems vertikale Rollenachsen, d. h. zwischen den Richtebenen eines solchen Richtsystems besteht ein Winkel von 90°. Die Orientierung der Rollenachsen (horizontal bzw. vertikal) entspricht der Achse, um die die jeweiligen Biegungen in der Ebene realisiert werden. Abhängig von der Serie der Richtapparate werden Verbindungswinkel oder Unterplatten zur Gestaltung eines Richtsystems genutzt (Bild 2.12).

Bild 2.12: Richtsystem mit Verbindungswinkel, Unterplatten zur Gestaltung eines Richtsystems und drehbarer Verbindungswinkel zwischen zwei Richtapparaten eines Richtsystems

Der Verbindungswinkel bietet den Vorteil einer einfachen bzw. unkomplizierten Montage des Richtsystems, da lediglich ein Richtapparat fest mit einer Konsole o. ä. zu verschrauben ist und der verbleibende Richtapparat des Richtsystems fliegend über den Verbindungswinkel gehalten wird. Die Gestaltung des Verbindungswinkels mit zwei Halteplatten und einem rotationssymmetrischen Zwischenstück mit Innenbohrung zur Durchführung des Drahtes ermöglicht im Gegensatz zur Variante mit Unterplatte die einfache Umsetzung auch alternativer Richtsysteme, die aus mehr als zwei Richtapparaten bestehen und/oder die die Umsetzung differenzierter Winkel zwischen den Richtebenen ermöglichen. Denkbar sind beispielsweise sogenannte Richtketten, die aus drei oder vier Richtapparaten bestehen.

Unterplatten empfehlen sich insbesondere für Richtapparate bzw. Richtsysteme, die Draht mit einem Durchmesser größer als 15 mm verarbeiten. Bedingt durch die höhere Masse dieser größeren Apparate und Systeme ist eine stabile Unterkonstruktion erforderlich. Welche Dimensionen Richtapparate annehmen können, verdeutlicht Bild 2.13.

Bild 2.13: Mannshoher Apparat für Drahtseile

Als Sonderfälle sind Richtsysteme anzusehen, die aus Richtapparaten mit identischer Orientierung der Rollenachsen bestehen. Ein Beispiel dokumentiert Bild 2.14. In Durchlaufrichtung hintereinander montiert sind ein Totrichter TR 3-1,5, ein Richtapparat ER 9-1,5 sowie ein Helixrichter HR 3-1,5.

Bild 2.14: Richtsystem mit TOTRICHTER und auslaufseitigem Helixrichter

Alle dargestellten Richtapparate dienen der Beeinflussung des Krümmungsbereiches Δk gemäß Gleichung 1.4. Der auslaufseitige Helixrichter HR 3-1,5 erfüllt jedoch noch eine zusätzliche Aufgabenstellung, die in der Beeinflussung der Helix H gemäß Bild 1.6 besteht. Dies gelingt durch die besondere konstruktive Gestaltung des Richtapparates, die sich durch zwei fest montierte Richtrollen und eine mittlere Richtrolle auszeichnet, die sowohl radial wie auch axial positioniert bzw. angestellt werden kann. Durch die mögliche axiale Anstellung einer Richtrolle und die Tatsache, daß alle Richtrollen des Helixrichters mit einem umlaufenden Einstich versehen sind, der das Prozeßmaterial in eine geometrische Zwangslage versetzt, kann dem Draht im Durchlaufbetrieb eine Torsionsverformung aufgeprägt werden, die zu einer Beeinflussung der Helix H führt.

Praxis

Wertschöpfung gelingt durch kostengünstig durchführbare Rollenrichtprozesse.

Alternative Zielsetzungen

Neben der bereits erläuterten Notwendigkeit des Richtprozesses, gerades Richtgut bzw. geraden Draht zu produzieren, gibt es alternative Zielsetzungen.

So ist es verbreitet, Richtapparate und Richtsyssteme zur Aufbringung eines Rückwärtszuges auf das Prozeßmaterial Draht zu nutzen. Der Rückwärtzszug kann dabei so groß werden, daß eine Längenänderung des Drahtes resultiert. Mit der Längenänderung des Drahtes verbindet sich eine Erhöhung der Dehngrenze des Prozeßmaterials. Entsprechend gereckter Walzdraht besitzt in Folge der Zugverformung im Durchlaufbetrieb ein verändertes Spannungs-Dehnungs-Diagramm, das sich vom Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Walzdrahtes signifikant unterscheidet.

Auch im Bereich der Herstellung von Litzen durch einfaches Verseilen werden Drähte mit einem definierten Rückwärtszug durch in zwei Reihen versetzt angeordnete Rollen beaufschlagt, um alle am Fügeprozeß beteiligten einzelnen Drähte vorzuformen und eine möglichst identische Schraubenlinie 1. Ordnung entstehen zu lassen. Damit wird bewirkt, daß die einzelnen Drähte nur noch sehr eingeschränkt das Vermögen besitzen, zurückzufedern und versuchen, den Litzenverband zu verlassen. Bild 3.1 zeigt ein Vorformgerät der Serie VR, das auf drei Scheiben angeordnete Vorformrollen besitzt. Die Anzahl der Vorformrollen wird von der Litzenkonstruktion bzw. von der Anzahl der einzelnen Drähte bestimmt, die vorzuformen sind. Die Teilung bzw. der Abstand zwischen der ein- und der auslaufseitigen Scheibe des Vorformgerätes ist proportional zur Schlaglänge der Litze. Um ein Vorformgerät für möglichst viele Litzenprodukte nutzen zu können, ist die Teilung in einem spezifischen Bereich einstellbar ausgeführt. Die Vorformrollen des in Bild 3.1 dargestellten Vorformgerätes können durch Verdrehung der mittleren Scheibe zentral angestellt werden und so die elastisch-plastische Verformung der Drähte sicherstellen.

Bild 3.1: Vorformgerät der Serie VR mit Zentralverstellung der Vorformrollen

Wird im Anschluß an den Fügeprozeß die Litze mit mindestens einem Richtsystem nachgeformt, werden die noch vorhandenen elastischen Spannungen in plastische Verformungen umgewandelt. Die Beanspruchungen des Nachformens, das auch als Pawo-Verfahren bekannt ist, resultieren aus einer Kombination von Recken und Richten des Prozeßmaterials Litze. Primär steht das Verfahren für die Überlagerung von Zug- und Biegespannungen sowie sekundär für die Überlagerung von Druck- und Torsionsspannungen. Abhängig vom Litzendurchmesser oder auch vom Durchmesser eines Litzenverbundes besitzen Nachformgeräte kleinere oder größere Abmessungen. Bild 2.13 zeigt das größte Modell eines Nachformgerätes, das jemals von der WITELS-ALBERT GmbH hergestellt wurde.

In der Regel werden zwei bis vier Nachformgeräte nach dem Verseilpunkt in Durchlaufrichtung hintereinander in einer Verarbeitungslinie angeordnet, wobei mindestens in zwei Ebenen die elastischen Spannungen des Prozeßmaterials in plastische Verformungen überführt werden.

Eine höhere Anzahl von Verformungsebenen findet auch im Rahmen der Herstellung von Schweißdraht Anwendung. So kommen beim Umspulen oder beim Wickeln von Draht zunehmend Richtsysteme zur Anwendung, die aus drei Richtapparaten bestehen. Der einlaufseitige und der mittige Richtapparat eines solchen Richtsystems werden genutzt, um die Krümmung des Prozeßmaterials Draht im Krümmungsbereich zu richten sowie um die Helix zu beseitigen. Aufgabenstellung des auslaufseitigen Richtapparates des Richtsystems ist es, die vom Nutzer des Schweißdrahtes gewünschte konstante Restkrümmung zu produzieren. Sie wird gefordert, da sie die Gestaltung eines stabilen Schweißprozesses unterstützt und sich ein gutes äußeres und inneres Nahtbild einstellt.

Bereits erläutert wurde das Verhalten eines Drahtabschnittes unter Zugbelastung (Bild 1.7, Gleichung 1.5 und 1.6) bei Raumtemperatur. Erfolgt durch Zugbeanspruchung eine elastisch-plastische Verformung , die sich durch eine bleibende Längenänderung veranschaulicht, vergrößert sich die originäre technische Dehngrenze. Umgangssprachlich wird davon gesprochen, daß der Drahtabschnitt bzw. der Werkstoff fester oder härter wird. Diese Verfestigung kann sich fortsetzten, wenn der Drahtabschnitt durch eine wiederholte Zugbeanspruchung bleibend verlängert wird. Erfolgt hingegen im Anschluß an die erste Zugbeanspruchung eine Druckbeanspruchung, also eine Verformung in die entgegengesetzte Richtung, kann es zu einer Entfestigung kommen, die sich durch eine Absenkung der technischen Dehngrenze manifestiert.

Die elastisch-plastische Wechselbiegung des Richtprozesses entfestigt analog viele Drahtwerkstoffe. Zugversuche an Stahldrahtproben vor und nach durchgeführten Richtprozessen belegen dies und zeigen eine Entfestigung zwischen 5 % und 10 %.

An Stahldrähten mit geringem Kohlenstoffgehalt werden hingegen Verfestigungen beobachtet, wie sie auch bei der Wechselbiegung von Kupfer auftreten.

Einbauanordnung

Der optimalen Integration von Richtapparaten und Richtsystemen in eine Fertigungslinie kommt eine hohe Bedeutung zu. Hängt die Gestaltung eines Richtprozesses vorrangig von den geometrischen und mechanischen Kenngrößen mindestens eines Drahtes ab, so erfolgt die Integration in eine Fertigungslinie in Abhängigkeit der Peripherie bzw. der vor- und nachgelagerten Prozesse, Maschinen und Einrichtungen.

Obwohl die einem Richtprozeß vor- und nachgelagerten Prozesse sehr vielfältig sein können, so lassen sich doch übergreifend für alle Varianten Regeln zur Integration ableiten.

Absolut erforderlich ist die Sicherstellung der Nullinie. Der Terminus Nullinie drückt aus, daß die an den Prozessen einer Verarbeitungslinie beteiligten Werkzeuge in Bezug zu definierten geometrischen Randbedingungen so positioniert sind, daß ein Prozeßmaterial spezifischer Abmessung lediglich berührt wird, d. h. keine Verformungen in den Einflussbereichen der Werkzeuge stattfinden. Davon ausgeschlossen sind nicht vermeidbare Unterbrechungen z. B. in Gestalt von Umlenkungen des Prozeßmaterials. Die Positionierung der Werkzeuge, auch die eines Richtapparates bzw. –systems, muß immer ausgehend von der Nullinie definiert erfolgen, so daß jederzeit beliebige Werkzeugpositionen reproduzierbar eingestellt werden können.

Auch bei Sicherstellung der Nullinie folgen theoretisch unendlich viele weitere Möglichkeiten der Applikation eines Richtapparates bzw. -systems, da sowohl eine Rotation um die Nullinie, eine Rotation um den Normalenvektor zur Nullinie als auch eine Verschiebung in Richtung des Prozeßmaterials denkbar ist.

Durch die wechselseitige Anordnung der Rollen eines Richtapparates in einer Ebene und die Zielsetzung bei n Richtrollen (n-2) wirksame Biegeoperationen zu realisieren, ergibt sich unter Einbeziehung der Krümmung des einlaufenden Prozeßmaterials eine erste Zwangsbedingung, die die genannten Rotationen auf jeweils einen spezifischen Winkel einschränkt. Wird diese Zwangsbedingung berücksichtigt, ergeben sich insgesamt acht verschiedene Möglichkeiten der Anordnung eines Richtapparates bzw. –systems gemäß Bild 3.2. Demnach muss eine Applikation so erfolgen, dass die Achse der ersten in Transportrichtung des Prozeßmaterials angeordneten Richtrolle zur Achse der beispielsweise vorgelagerten Spule oder Umlenkrolle parallel ist sowie beide Achsen sich in Bezug zur Nulllinie auf derselben Seite befinden. Anstelle einer vorgelagerten Spule oder Umlenkrolle kann ein in adäquater Weise gekrümmtes Prozeßmaterial treten.

Bild 3.2: Einlaufvarianten VW für Richtsysteme mit Richtapparaten der Serie ER 5

Die exakte Anordnung des Richtprozesses in Richtung des Prozeßmaterials folgt aus einer zweiten Zwangsbedingung, die den Abstand A (Gleichung 3.1) zu einem dem Richtprozeß vorgelagerten Prozeß definiert.

Eine Einhaltung des in Bild 3.2 gekennzeichneten Abstandes A hat zur Folge, daß sich dauerhaft eine konstante Richtqualität einstellt. Wird der Abstand A, der unter Berücksichtigung des Durchmessers der Spule D_Spule ermittelt wird, nicht respektiert, hat das noch nicht von seiner Krümmung befreite Prozeßmaterial sowohl vor als auch im Richtapparat bzw. –system die Möglichkeit, sich zu verdrehen. Die Momentvektoren der stattfindenden Biegeoperationen sind stochastisch ausgerichtet und führen zu nachteiligen Verformungen sowie zu einer variablen und schlechten Richtqualität.

Das VIMEO-Video stellt alle acht relevanten Einlaufvarianten VW vor. Der in Durchlaufrichtung erste Richtapparat eines Richtsystems wird immer in Abhängigkeit der Durchlaufrichtung des Drahtes, der Spulen- bzw. Bundachse und der Drehrichtung der Spule bzw. des Bundes richtig angeordnet! So wird das gemacht!

Anstellung der Richtrollen

Um eine Veränderung der Richtguteigenschaften wie Restkrümmung bzw. Geradheit oder die Eigenspannungen und die Festigkeit durch Wechselverformung innerhalb eines Richtapparates oder Richtsystems zu ermöglichen, müssen die Richtrollen relativ zueinander angestellt werden. Unter der Anstellung wird die absolute Position einer Richtrolle in Bezug zur spezifischen Nullinie verstanden.

Ausgeübte Praxis im Bemühen um eine definierte Richtqualität ist die subjektive Veränderung der Anstellungen der verstellbaren Richtrollen eines Richtapparates oder -systems durch Probieren unter ständigem Sichtkontakt zum auslaufenden Richtgut. Die auf trial and error basierende Einstellung erfolgt dabei oft ohne Kenntnis der geometrischen und mechanischen Kenngrößen des Richtgutes bzw. Drahtes. Ursachen von Schwankungen der Richtqualität bei einer spezifischen Anstellung wie unterschiedliche Werkstoffeigenschaften oder Unterschiede in den geometrischen Abmessungen des Richtgutes werden nicht erkannt und eine determinierte Beeinflussung der Qualität bleibt aus. Dem gegenüber stehen moderne Verarbeitungsmethoden des Richtgutes und der Wunsch nach komplizierten Produktgeometrien in hochwertiger Qualität. Die bisherige Verfahrensweise ist damit, nicht zuletzt auch aus Gründen der Personal- und Zeitintensität und des Aufwandes an Prozeßmaterial, unvertretbar.

Philosophien zur Rollenanstellung gibt es in gleicher Anzahl wie Richtapparate im Einsatz sind. Bei Zugrundelegung mathematisch-physikalischer Modelle zur Wechselverformung von Prozeßmaterialien läßt sich eine hilfreiche objektive Einstellanweisung ableiten, die qualitativen Charakters ist und sich dadurch auszeichnet, daß zur wirkungsvollen Beseitigung der Ausgangskrümmungen des Prozeßmaterials im vorderen Bereich eines Richtapparates, dem sogenannten Vorbiegebereich, größere Anstellungen realisiert sind. Damit wird eine maximale Krümmung erzeugt, die durch die Wechselverformungen im sich anschließenden Richtbereich, der durch kleinere Anstellungen gekennzeichnet ist, zur gewünschten Restkrümmung abgebaut wird.

Alternativ zur vorstehend beschriebenen qualitativen Einstellempfehlung von Richtapparaten und -systemen nutzt WITELS-ALBERT Ergebnisse, die ein virtuelles Abbild des Rollenrichtprozesses liefert. Die Rollenpositionen bzw. Anstellungen werden quantitativ und a priori durch die Simulation des Drahtrichtprozesses ermittelt. Grundlage der Simulation ist ein theoretisches Modell zur elastisch-plastischen Wechselbiegung eines Prozeßmaterials sowie der Zusammenhang zwischen Biegemoment und Krümmung, der für jede im Richtapparat stattfindende Biegeoperation bestimmbar ist. Damit kann der Krümmungsverlauf des Richtgutes k(x) ermittelt werden, der zur Berechnung der Rollenpositionen a_i = y(x) durch numerische Integration der für Verformung durch Biegung gültigen Differentialgleichung zweiter Ordnung führt (Gleichung 3.2). Voraussetzung für eine Prozeßsimulation ist die Kenntnis der Eigenschaften des Prozeßmaterials sowie die der geometrischen Randbedingungen des jeweiligen Richtapparates.

Created By
Marcus Paech @ WITELS-ALBERT GmbH
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