Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richten von Teilen in einer Walzenrichtmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Walzenrichten ist ein Biegeverfahren, bei dem sich Werkzeuge, nämlich die Richtwalzen, drehen, wobei das Richtmaterial Wechselbiegungen unterworfen wird. Die hierfür eingesetzten Maschinen werden Richtmaschinen genannt. Darin wird das Richtmaterial zwischen zwei gegenüberliegend und versetzt angeordneten Reihen von Richtwalzen hindurchbewegt. Die oberen und unteren Richtwalzenreihen sind dabei so versetzt zueinander angeordnet, dass sie jeweils in den Zwischenraum des gegenüberliegenden Walzenpaares eintauchen können. Die Eintauchtiefe und die Geometrie der Richtwalzen bestimmen dabei die Größe der Wechselbiegungen, die teilplastisch sein müssen. Die größten Wechselbiegungen erfolgen an der Einlaufseite der Richtmaschine und werden in der Regel zur Auslaufseite der Maschine hin abnehmend eingestellt, wobei am Auslauf in der Regel keine Wechselbiegungen auf das Richtmaterial aufgebracht werden. Man unterscheidet zwischen Bandrichten und Teilerichten (vgl. Prof. Dr.-Ing. Horst Bräutigam "Richten mit Walzenrichtmaschinen", ARKU-Schriftenreihe der ARKU Maschinenbau GmbH, 3. erweiterte Auflage, Baden-Baden, September 1996, S. 25-55, 63-76).

Unter Bandrichten wird das Richten von auf Coils aufgewickelten Blechbändern verstanden, die vor der Weiterverarbeitung, beispielsweise in einer Presse oder Profilieranlage, abgewickelt und plan gerichtet werden müssen. Die Bandrichtmaschinen stehen somit stets in einer Prozesslinie und müssen die Prozesssicherheit durch Einhaltung der geforderten Planheitstoleranzen des gerichteten Bandes sicherstellen. Es handelt sich in der Regel um eine Zwischenfertigungsstufe. Beim Teilerichten handelt es sich dagegen meistens um eine Endfertigungsstufe.

Das Dickenspektrum bei Teilerichtmaschinen ist im Gegensatz zu der in der Materialdicke begrenzten Coilaufwicklung wesentlich höher als bei Bandrichtmaschinen. Zur Veranschaulichung des Teilerichtprozesses wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Teilerichtmaschine 1 schematisch dargestellt ist. Die Teilerichtmaschine 1 weist einen oberen Richtwalzenblock 3 und einen unteren Richtwalzenblock 5 auf. In dem oberen Richtwalzenblock 3 ist ein Satz von oberen Richtwalzen 7 angeordnet, die von Stützwalzen 8 abgestützt werden. Im unteren Richtwalzenblock 5 ist ein Satz von unteren Richtwalzen 9 angeordnet, die von Stützrollen 10 abgestützt werden. Gemäß dargestellter Teilerichtmaschine 1 in Fig. 1 ist der untere Richtwalzenblock 5 fest in einem Maschinenständer (nicht dargestellt) angeordnet, während der obere Richtwalzenblock 3 in seiner Position und Schräglage eingestellt werden kann und sich in einem oberen Walzenstuhl befindet (vgl. a.a.O., S. 54-55). Die Einstellung des Richtspaltes erfolgt mittels einer Richtspaltregelung, mit der beispielsweise Abweichungen vom gewünschten Sollwert des Richtspaltes nachgeregelt werden können.

Das Richtmaterial in Form eines Teils 11 wird durch die Teilerichtmaschine 1 gemäß Pfeil 13 gefördert. Es gelangt von einer Einlaufseite 15 zu einer Auslaufseite 17. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die oberen Richtwalzen 7 in die Zwischenräume zwischen die unteren Richtwalzen 9 eingetaucht, wodurch entsprechende Wechselbiegungen beim Teil 11 erzeugt werden. Zur Auslaufseite 17 hin nimmt die Eintauchtiefe der oberen Richtwalzen 7 in die unteren Richtwalzen 9 stetig ab, bis ein Abstand erreicht wird, der im Wesentlichen der Materialdicke des Teils 11 entspricht. Der eingestellte Richtspalt ist für das Richtergebnis maßgebend.

Bedingt durch die Blockbauweise sind bei Parallelität der Richtwalzen zwei definierte Bezugspunkte ausreichend für die Reproduzierbarkeit der Einstellwerte. Vorteilhafterweise wird die Einstellung in der Nähe der Einlaufseite bzw. Auslaufseite der Richtmaschine gewählt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der obere Richtwalzenblock 3 gemäß Doppelpfeil 19 in vertikaler Richtung bewegbar und gemäß Doppelpfeil 21 auch um eine zu den Achsen der oberen und unteren Richtwalzen parallelen Achse schwenkbar. Damit können alle geforderten Einstellungen des Richtspalts verwirklich werden.

Ein Nachteil bei Richtmaschinen ist, dass der Richtspalt während des Richtens nicht konstant bleibt, sondern sich gemäß dem Federungsverhalten der mechanischen Bauteile ändert. Je dicker die Teile, desto größer die Kräfte und umso stärker muss dimensioniert werden. Die Federwege betragen insbesondere bei dicken zu richtenden Teilen ein Vielfaches des bei Starrheit der Bauteile erforderlichen theoretischen Einstellwertes.

Eine Verbesserung des Richtvorgangs bzw. Richtergebnisses durch Verringerung der Federwirkung bringt der Einbau einer Richtspaltregelung. Hierbei erfassen Sensoren, die z. B. an den Ecken des oberen Richtwalzenblocks 3 angebracht sind, die Bewegung und eine Steuerung sorgt dafür, dass ein hydraulisches oder mechanisches oder in hybrider Technik ausgeführtes Verstellelement den Richtspalt an diesen Stellen nachregelt und er so den eingestellten Wert beibehält. Das Richtergebnis hängt dabei im Wesentlichen nur noch von der Steifigkeit der Richtwalzenblöcke, insbesondere des oberen beweglichen Richtwalzenblockes ab.

Mit der Richtspaltregelung lassen sich nachweislich Teile auf Anhieb richten, für die im günstigsten Fall auf herkömmlichen Richtmaschinen mehrere Durchläufe erforderlich wären oder sich dort überhaupt nicht richten lassen.

Besonders schwierig gestaltet sich der Richtvorgang bei Teilen, die keine Rechteckkontur aufweisen, sondern runde Konturen und/oder großflächige Ausnehmungen haben. Um ein einigermaßen brauchbares Endergebnis zu erzielen sind hierfür umfangreiche praktische Ermittlungen für Einstellwerte notwendig, was entsprechend aufwendig und damit auch teuer ist.

Viele Hersteller bieten heute über die Steuerung der Maschine die Möglichkeit an, durch beispielsweise manuelle Eingabe der Materialdicke oder auch durch Erfassung dieser über ein Messsystem, einen Vorschlag für die Einstellparameter zu erhalten. Da, wie oben ausgeführt, die Konturen der Teile beim Teilerichten sehr stark unterschiedlich sein können, reicht die alleinige Orientierung an der Dicke des Materials nicht aus. Ein Nachregeln ist möglich und meist erforderlich und die gefundenen können dann wieder abgespeichert werden.

Entscheidend beim Richten von Material ist das Überschreiten der Fließgrenze bei Biegung des Materials. Das Biegemoment, d. h. die innere Beanspruchung des Materials, muss groß sein, wodurch Querschnittsanteile zu fließen beginnen. Die dazu notwendigen Kräfte sind bei einem Teil mit konstantem Rechteckquerschnitt wesentlich durch das Produkt bs²σ_F bestimmt, wobei b die Breite des Richtmaterials, s die Dicke des Richtmaterials und σ_F die Fließgrenze des Richtmaterials ist.

Aus der Elastostatik ist z. B. die Größe (bs²)/6 als Widerstandsmoment gegen Biegung bei einem Rechteckquerschnitt bekannt. Grundlage dieser Berechnung ist die Balkentheorie, deren wesentliche Aussage in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist. Danach ist die Normalspannung σ im Balkenquerschnitt durch die Beziehung $$\sigma =\frac{M}{I}z$$ berechnet, wobei M das Biegemoment, I das axiale Flächenträgheitsmoment und z der Abstand des betrachteten Punktes von der neutralen Faser ist. Die demnach linear verteilte Spannung ist dem Betrage nach in dem am weitesten entfernten Randpunkt am größten. Es ergibt sich also $$\begin{array}{ccc}\sigma =\frac{M}{W}& \mathrm{mit}& W=\frac{I}{\left|z\right|\max }\end{array}$$ als Widerstandsmoment. Daraus kann das Biegemoment berechnet werden, das notwendig ist, um am Querschnittsrand die Fließgrenze zu erreichen. In Fig. 2 ist weiterhin A die Querschnittsfläche, S der Schwerpunkt, dA ein differential kleines Flächenelement und x-y-z das Koordinatensystem. Letzteres ist auch in den Fig. 3 und 4 ersichtlich. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Biegespannung und Fig. 4 das Biegemoment.

Das Größte beim Rechteckquerschnitt übertragbare Biegemoment ist, unter der Vorraussetzung eines ideal-elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens, das 1,5-fache des bereits angesprochenen Biegemomentes, das am Querschnittsrand Fließen erzeugt. Das Fließen ist hierbei bereits über den gesamten Querschnitt ausgebreitet und die Tragfähigkeit des Querschnittes ist erschöpft.

Die zu richtenden Teile haben in der Regel einen in Abhängigkeit von der Kontur und der Dicke des Teiles sich ändernden Querschnitt. Das Widerstandsmoment ist also nicht konstant sondern ändert sich über die Länge des Teiles.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Richten von Teilen in einer Teilerichtmaschine anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden, und mit dem ein deutlich verbessertes Ergebnis bei den gerichteten Teilen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist das gattungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

1. a) Erfassen der Gesamtlänge (I) des zu richtenden Teiles,
2. b) Unterteilen der Länge des zu richtenden Teiles in eine Anzahl n von gleichen Teilflächen mit Seitenlänge ΔX, deren Abstände so zu wählen sind, dass in jedem Richtdreieck der Länge 2t eine ganzzahlige Anzahl von Teilflächen mit Seitenlänge ΔX liegt,
3. c) Erfassen der Dicke s des zu richtenden Teiles,
4. d) Erfassen der Breite b in der Mitte der jeweiligen Teilfläche,
5. e) Berechnen der Werte bs² für jede Teilfläche,
6. f) Ermitteln der Werte bs²M durch einfache Mittelwertbildung über die Anzahl der in jedem Richtdreieck vorhandenen Werte bs²,
7. g) Beziehen der Werte bs²M auf den spezifischen Richtmaschinenwert der Richtmaschine und Multiplizieren dieser sich ergebenden Werte mit dem Wert der maximalen Durchbiegung (max X) des Walzenstuhls, der den einstellbaren Richtwalzenblock aufweist, und dem Verhältnis der Fließgrenze des Richtmaterials (σ_F) zu der maximalen Auslegungsgröße der Richtmaschine, woraus der Offset-Wert des optimalen Versatzes erhalten wird,
8. h) Addieren während des Richtens des zu richtenden Teiles des für jedes Richtdreieck ermittelten Offset-Wertes zu dem Grundeinstellungswert des Richtspaltes an der Einlaufseite der Richtmaschine zum Nachfahren der Einstelleinrichtung des Richtspaltes in Abhängigkeit der sich im Richtspalt auf das zu richtende Teil abgebildeten bewegenden Richtdreiecke.

Durch die Blockverstellung werden die in der Maschine erzeugten Wechselbiegungen stark voneinander abhängig, was im Gegensatz zu einer Einzelverstellung der Richtwalzen steht. Die Blockverstellung baut sozusagen die Wechselbiegungen vom Einlauf zum Auslauf der Maschine hin relativ gleichmäßig ab.

In der Theorie des Richtens wird ein Richtdreieck als kleinste Einheit in einer Richtmaschine definiert. Ein solches Richtdreieck zeigt die Fig. 5 (vgl. a.a.O., S. 42). Der Abstand zwischen zwei unteren Richtwalzen 9 beträgt den Wert 2t, der der Wert der Länge des Richtdreiecks ist, wobei sich die obere Richtwalze 7 genau symmetrisch in der Mitte also jeweils mit Abstand t von den beiden unteren Richtwalzen 9 befindet. Aus der Fig. 5 ist auch die Dicke s des Richtmaterials 11 ersichtlich und die Zustellung bzw. Eintauchtiefe Z um die die obere Richtwalze 7 nach unten zwischen die beiden unteren Richtwalzen 9 zur Erzeugung der Wechselbiegungen beim Richtmaterial 11 eingetaucht ist. R gibt den Radius der Richtwalzen 7 und 9 an und ρ_n ist der Biegeradius zur neutralen Faser des Richtmaterials.

Das Richtdreieck wird erfindungsgemäß als Bezugsgröße gewählt, wobei gemäß Merkmal h) dessen Länge 2t auf dem zu richtenden Teil abgebildet wird. Entsprechend wird auf den sich bewegenden abgebildete Teil Bezug genommen.

Normalerweise wird mit parallelen Richtwalzen gerichtet, weil sich die Dicke s des zu richtenden Teils nicht oder nur unwesentlich ändert. Bei Sonderfällen muss die Dicke s entsprechend mehrmals erfasst werden.

Weitere Einzelheiten, bevorzugte, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren 6 bis 8. Im einzelnen zeigt:

Fig. 6

ein zu richtendes Teil und die zu erfassenden Werte;

Fig. 7

eine Tabelle mit den erfassten Werten und den Parametern zur Berechnung des Offsets;

Fig. 8

eine Ergebnisstabelle von drei Versuchen zur Ermittlung des Richtergebnisses mit und ohne Offset;

In Fig. 6 ist ein zu richtendes Teil 11 dargestellt, welches eine "brückenartige" Kontur aufweist, nämlich eine Rechteckform mit einer halbkreisförmigen mittigen Ausnehmung mit Radius R. Das Teil 11 weist die Dicke s auf. Das Richtdreieck beträgt im Beispielsfalle gemäß Fig. 6 65 mm, so dass das Maß 2t 65 mm beträgt. Im Beispielsfall wird somit die Seitenlänge ΔX eines Flächenteiles des zu richtenden Teils 11 gleich dem Maß 2t, also der Länge des Richtdreiecks gewählt.

Die Anfangs- und Endbreite des Teils 11 beträgt 400 mm und seine Gesamtlänge, welche von rechts nach links gemessen wird, entgegen der Durchlaufrichtung gemäß Pfeil 13 des zu richtenden Teils 11 durch die Teilerichtmaschine, beträgt 800 mm. Die Breite b wird jeweils in der Mitte einer Teilfläche gemessen, was durch die strichpunktierte Linien dargestellt ist.

In Spalte 1 der Tabelle von Fig. 7 sind die Lagen der Richtdreiecke angegeben. Die Angaben sind dabei so zu verstehen, dass die Lage des ersten Richtdreiecks bei 0 bis 65 mm liegt, die Lage des zweiten Richtdreiecks im Bereich von 65 bis 130 mm liegt usw..
Wie aus Fig. 7 weiterhin ersichtlich wird nach Erfassen der Breite b in der Mitte der jeweiligen Teilfläche F₁ bis F₁₂ in Fig. 6 und der Dicke s der Wert bs² daraus ermittelt. Danach erfolgt das Ermitteln der Werte bs²M durch einfache Mittelwertbildung über die Anzahl der in jedem Richtdreieck vorhandenen Werte bs². Die in der Spalte bs²M zur Spalte bs² identischen Werte haben ihre Ursache darin, dass die Seitenlänge ΔX gleich dem Wert 2t entspricht. Der Wert bs²M wird dann auf den für die jeweilige Richtmaschine festgelegten spezifischen Richtmaschinenkennwert, im Beispielsfalle "35.000" bezogen. Dieser Wert ergibt sich aus dem maximalen für die Richtmaschine zulässigen Wert für bs² und σ_F, der für die betrachtete Richtmaschine gleich 400 N/mm² ist.

Der maximale Durchbiegungswert max X der Richtmaschine bzw. des zugeordneten Walzenstuhls beträgt 0,4. In der nächsten Spalte ist das Verhältnis der Fließgrenze des Richtmaterials σ_F = 240 zu der Auslegungsgröße der Richtmaschine σ_F = 400 angegeben. Das Verhältnis 240/400 ergibt den Wert 0,6. Erfindungsgemäß wird dann aus den jeweiligen Werten bs²M/35.000 der maximalen Durchbiegung max X und dem Fließgrenzenverhältnis durch Multiplikation der drei Faktoren der an der entsprechenden Breite sich ergebende Offset-Wert berechnet (siehe Fig. 7). Wie ersichtlich, handelt es sich zwar nur um recht geringe Werte (Angaben in der Tabelle auf 1/1.000 mm genau), trotzdem führt die Addition des jeweiligen Offsetwerts zu einem Grundeinstellungswert des Richtspaltes zu überraschenderweise erheblich verbesserten Richtwerten.

Wie oben erläutert werden diese Offset-Werte zu dem Grundeinstellwert des Richtspaltes an der Einlaufseite in Abhängigkeit der Position des Teiles addiert. Die Beeinflussung geschieht im Bereich der größten Richtkraft, die bei voll belegtem Richtaggregat etwa im Bereich des zweiten Richtdreiecks (gesehen von der Einlaufseite) liegt. Die Auslaufseite wird in der Regel konstant gehalten, sie kann natürlich bei Bedarf verstellt werden. Die Wirkungsweise wurde an einer hydraulischen Richtmaschine mit Richtspaltautomatik, also mit Richtspaltregelung exemplarisch gemäß folgender Vorgehensweise nachgewiesen:

Als Versuchsblech wurde das Teil 11 gemäß Fig. 6 verwendet Die Grundeinstellung für das Versuchsblech von 5 mm Dicke mit der Fließgrenze σ_F von 240 N/mm² betrug:

• Einlauf: 4 mm (d. h. 1 mm eingetaucht)
• Auslauf: 5 mm (d. h. 0 mm eingetaucht).

Das Ergebnis von drei Versuchen ist in Fig. 8 dargestellt. Das untersuchte Teil hatte im Versuch 1 eine Ausgangsskrümmung von 12 mm und durch Einsatz des Offsets ein Ergebnis von einer Endkrümmung von < 0,4 mm.

Dieses Teil wurde in Versuch 2 bei gleicher Zustellung im Einlauf und Auslauf wie bei Versuch 1 durch die gleiche Richtmaschine gerichtet, wobei ein Offset-Wert nicht eingestellt wurde. Erstaunlicherweise ist das Ergebnis schlechter als im Versuch 1, nämlich < 0,8 mm. Dieses Teil wurde im Versuch 3 wieder bei gleicher Zustellung im Ein- und Auslauf wie in den vorherigen Versuchen in dieser Richtmaschine gerichtet, wobei das Ergebnis von Versuch 1 reproduziert wurde. Dies zeigt, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erheblich verbessertes Richtergebnis erzielbar ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich findet in Abhängigkeit von dem Wert 2t (Richtdreieck) eine Aufteilung in zwölf Teilflächen F1 bis F12 statt, wobei, bedingt durch die ganzzahlige Aufteilung der Gesamtfläche ein Anfangsrandbereich R_A und ein Endrandbereich R_E von jeweils 10 mm übrig bleibt.

Erfindungsgemäß sind die Abstände so zu wählen, dass immer eine ganzzahlige Anszahl
n ≤ 1 gleicher Teilflächen der Seitenlängen ΔX innerhalb des Richtdreiecks mit der Länge 2t liegt. Durch die so festgelegten Seitenlängen ΔX bleibt ein Reststück übrig, das entweder am Teilanfang und Teilende vermittelt wird, oder bei genügend kleinen Teilflächen auch einseitig vernachlässigt werden kann. Die Größe der Teilflächen sollte der Komplexität des zu richtenden Teils angepasst sein. Mit anderen Worten, bei sich stark verändernder Kontur bzw. Materialmenge (Ausnehmungen, Löcher) werden entssprechend kleine Seitenlängen ΔX ausgewählt werden, um die Änderungen der Wertte bs² für die Berechnung der Offset-Werte ausreichend genau zu erfassen.

Bei theoretischen Dickengleichheit sind die Ergebnisse bs² proportional zur zugehörigen Breite der Teilfläche. Bei praktischer Ermittlung durch Messung sind natürlich Abweichungen im Rahmen der Messgenauigkeit vorhanden.

Die Breiten b und die Dicken s sind insbesondere dann einfach angebbar, wenn das Richtteil mit CAD erfasst wurde. Zur Ermittlung der mittleren der weiteren Werte bs²M genügt dann meist ein kleines zusätzliches Hilfsprogramm.

Vorteilhafterweise besteht auch die Möglichkeit der Erfassung der Kontur des Teiles 11 durch Kamerabilder oder Laserabtastung im Zusammenhang mit der Dickenmessung des zu richtenden Teils 11. Ein entsprechendes Rechenprogramm führt dann die Berechnung durch.

Die ermittelten, bzw. errechneten Kurven aus den Werten bs²M werden jetzt in Verbindung mit einem Rechenmodell zur Ermittlung der Einstellwerte benutzt, insbesondere kann aus dem Maximum der Werte bs²M auf die größte Richtkraft geschlossen werden.

Vorteilhafterweise kann das Rechenmodell neben der Berücksichtigung des Federungsverhaltens des oberen, beweglichen Walzenstuhls auch erweitert werden auf die Berücksichtigung des Federungsverhaltens des unbeweglichen Maschinenständers. Weiterhin kann die Anzahl der mechanischen Richtwalzen wenn das Teil kürzer als die Länge des gesamten Richtaggregates ist berücksichtigt werden und die Änderung des Federungsverhaltens bei Einlauf und Auslauf des Richtmaterials kann ebenfalls berücksichtigt werden.

Durch Erfassung der Position des zu richtenden Teiles kann der ermittelte Offset-Wert der entsprechenden Teilfläche F₁ bis F₁₂ bzw. dem darauf abgebildeten Richtdreieck zugeordnet werden und die Grundeinstellung des Richtwerts mit dem entsprechenden Offset-Wert vergrößert werden, was zu einem erheblich verbesserten Richtergebnis führt. Ggf. wird eine Kraftmessung vorgenommen, die zur Überprüfung der Richtkräfte dient und eine Überlast der Maschine verhindert.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Richten von Teilen in einer Walzenrichtmaschine geschaffen, dass unter Verwendung der Blockzustellung der Richtwalzen im Vergleich mit der Einzelverstellung von Richtwalzen wirtschaftlicher, einfacher und universeller ist. Da bewusst viele Wechselbiegungen erzeugt werden, ist die Restspannungsverteilung günstiger als bei Wenigwalzenmaschinen. Sind andererseits nur wenige Wechselbiegungen machbar, wie zum Beispiel bei hochfesten neuen Materialien, so kann die Richtwalze so eingestellt werden, dass ein Teil der Richtwalzen außer Eingriff ist.

Unter den Begriff "Teile" fallen auch sehr lange Teile mit einer speziellen Kontur bzw. Ausnehmungen und auch vom Coil abgewickelte Bänder, beispielsweise Löchbleche. Letztere erhalten durch geeignte Stanz- oder Schneideverfahren ihre Löcher nach dem Abwickeln vom Coil und werden erst anschließend gerichtet. Aufgrund der ggfls. starken Materialunterschiede über die Länge des Werkstücks eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders auch zum Richten dieser Werkstücke.