Eccentricity in tubes - experimental development and simulation-based analysis for an automatically adjustable drawing die

Ein permanentes Ziel der Fertigung ist die Erhöhung der Produktionseffizienz durch Reduzierung der Durchlaufzeiten bei gleichzeitiger Kostenreduktion und Verbesserung der Produktqualität. Auch die Rohrherstellung - eines der ältesten bekannten Fertigungsverfahren - ist diesem permanenten Druck ausgesetzt. Rohre finden ihren weitgestreuten Einsatz mit unterschiedlichsten Anforderungen zum Transport von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen in den verschiedensten Bereichen wie der Energiewirtschaft, der Automobil-, Luft- und Raumfahrt oder auch der Medizinindustrie. Da in all diesen Bereichen die Rohrqualität eine entscheidende Rolle spielt, ist die Herstellung von qualitativ hochwertigen und teilweise hochpräzisen Rohren in der Rohrfertigung eine Herausforderung. Dies ist die Motivation dieser Arbeit zur Entwicklung einer neuen Vorrichtung zur Herstellung von Hochpräzisionsrohren. Die Entwicklung einer neuen Methode zur gezielten lokalen Veränderung der Wandstärke des Rohres wurde bereits im Vorfeld mit verschiedenen Ansätzen untersucht. Die Modifizierung und Kontrolle der Rohrexzentrizität sind wesentlich für Anwendungen mit engen Toleranzanforderungen. Eine der kürzlich entwickelten Methoden zur Änderung der Exzentrizität von Rohren ist das Kippen der Ziehmatrize. In dieser Arbeit wird diese Entwicklung fortgeführt und zu einer dynamisch in-line verstellbaren Matrize, zur kontrollierten Beeinflussung der Exzentrizität eines Rohres für den industriellen Einsatz, erweitert. Dazu wird in Abhängigkeit von der einlaufenden Exzentrizität des Rohres die Ziehmatrize in die geeignete Position gekippt. Das entsprechende Aggregat wurde im Rahmen eines AiF-Projekts in Zusammenarbeit mit den Firmen Bültmann GmbH (Entwicklung und Bau der Anlage), Fest AG (Steuerung), GE AG (US-Messtechnik) zusammen mit dem Institut für Metallurgie der TU Clausthal entwickelt und getestet. Die drei wesentlichen Schritte zur Entwicklung der dynamisch verstellbaren Matrize sind: • Entwicklung einer dynamisch verstellbaren Matrize, die den Matrizenhalter um 360 °- bis zu 4° transversal zur Ziehrichtung neigen kann. • Untersuchung der effektiven Parameter der Exzentrizität von gezogenen Rohren durch Kippen der Matrize und Entwicklung eines Regressionsmodells zur Vorhersage der Exzentrizität der Rohre nach dem Ziehen. Das Modell wird für die Ermittlung der optimalen Kippwinkel der Matrize verwendet. • Entwicklung eines Steuer- und Regelsystems zur Korrelation der Messdaten des US-In-Line-Messsystems zur Ermittlung der Exzentrizität des Rohres vor dem Ziehen mit der Kippung der Ziehmatrize. In diesem Konzept wird der Ist-Zustand (Wanddicke) des einlaufenden Rohres über sechs US-Sensoren ermittelt und daraus die Exzentrizität berechnet. Mit den entwickelten Algorithmen wird die Kippung der Ziehmatrize, die für diese Exzentrizitätslage zu einer definierten Exzentrizität am auslaufenden Rohr führt, vorgegeben und dynamisch eingestellt. Sowohl das Ziehen mit festem wie auch mit fliegendem Dorn wurde mit dem Kippen kombiniert. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit auch der Kippeffekt und das entsprechende Ziehverfahren auf die Eigenspannungsausbildung in den gezogenen Rohren betrachtet.