Entwicklung eines sensorlosen Systems zur Überwachung der Kühlschmierung für die Massivumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben den Material- und Fertigungskosten bestimmen insbesondere die Werkzeugkosten die Produktionskosten eines massivumgeformten Bauteils. Ein großer Teil der Werkzeugkosten resultiert aus der verschleißbedingten Standmenge. Diese wirkt sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit von Fertigungsprozessen aus den Bereichen der Massivumformung aus. Ein praktikabler Ansatzpunkt zur Standmengenerhöhung und damit der Wirtschaftlichkeit bietet die Anpassung des Kühl-/ Schmierprozesses für eingesetzte Umformwerkzeuge. Neben den Kosten für Material, Herstellung und Instandsetzung der Gesenke können hierdurch zusätzlich auch die Schmiermittelversorgungs- und -entsorgungskosten reduziert werden. Durch Werkzeugwechsel anfallende Rüstkosten, Maschinenstillstände und damit verbundene Produktionsausfälle werden minimiert. Ein mögliches Instrument zur Einhaltung einer gleich bleibenden und anforderungsgerechten Bauteilqualität und somit zur Gewährleistung eines stabilen und wirtschaftlichen Produktionsprozesses ist der Einsatz von Sensorsystemen. Mit diesen können technisch relevante Größen während des Produktionsprozesses erfasst und ggf. bei Abweichungen vom Sollwert nachgeregelt oder der gesamte Fertigungsprozess unterbrochen werden. In der Umformtechnik, insbesondere in der Warmmassivumformung, ist der Einsatz solcher Sensorsysteme für eine prozessnahe Erfassung der Bauteileigenschaften mit einem hohen Aufwand verbunden, da die extremen Umgebungsbedingungen (hohe Temperaturen, starke Vibrationen, geschlossener Umformbereich) im Arbeitsraum der Presse ein hohes Anforderungsprofil an die Sensorelemente stellen. Aus diesem Grund erfolgt die Überwachung der Produktqualität meist in einem nachgeschalteten Prüfverfahren, bei dem die Eigenschaften (Geometrie, Härte, etc.) des Bauteils erst nach dem Abkühlen ermittelt werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass sich die Reaktionszeit für Prozesskorrekturen verlängert und damit die Gefahr hoher Ausschusskosten steigt. Vor diesem Hintergrund war die Zielsetzung dieses Projekts die Entwicklung eines Sensorsystems, das durch eine direkte Überwachung des Kühlschmierprozesses die aufgezeigte Lücke in der Qualitätssicherung bzw. Prozessfehlerdiagnose bei Gesenkschmiedeprozessen schließt. Mit dieser Methode kann eine qualitative und quantitative Aussage bzw. Bewertung der prozessintegrierten Kühlschmierung getroffen werden. Das im Rahmen dieses Projekts entwickelte Sensorsystem misst die elektrische Leitfähigkeit der in der Praxis eingesetzten Kühlschmiermittel (Wasser-Graphit-Dispersionen, Metallphosphat-Lösungen, Seifenlösungen). Eine Beurteilung der Sprühfeldausbringung anhand der Veränderung der Leitfähigkeit des Sprühkegels, aufgrund von Verstopfungen und beginnenden bzw. endenden Sprühzyklen, ist somit realisiert. Der Kern des zu schaffenden Überwachungssystems für die Kühlschmierung ist ein im Rahmen dieser Arbeit geschriebenes Computerprogramm, welches ein Künstliches Neuronales Netzwerk (KNN) abbildet. Derartige Netzwerke haben sich bereits bewährt, um Prozessstörungen zu erkennen und zu analysieren. Insbesondere bei der Analyse von Systemen, deren Zustand von vielen Parametern und deren Wechselwirkungen zueinander abhängen, bieten KNN den Vorteil, die gewünschten Aussagen anhand geeigneter Versuchsreihen zu erhalten. Sie können gewissermaßen als „Black Box“ aufgefasst werden, die es ermöglichen, eine unbekannte Funktion anhand erlernter Strukturen zu approximieren. Solch eine Approximation ist immer dann vorteilhaft, wenn das zu lösende Problem bzw. das betrachtete System eine komplexe Struktur hat, die eine analytische Lösung erschwert oder unmöglich macht. Während des ersten Projektzeitraums wurde ein Sensorsystem zur Überwachung des Sprühnebels in der Warmmassivumformung entwickelt, konstruiert und erfolgreich im Labormaßstab eingesetzt. Basierend auf den positiven Ergebnissen des Sensorsystems und dem erfolgreichen Einsatz des eigens für dieses System programmierten KNNs zur Signalauswertung soll ein wissensbasiertes System zur automatischen Sprühzyklusüberwachung auf eine automatisierte Schmiedelinie am IFUM umgesetzt werden. Das entwickelte Überwachungssystem muss zu diesem Zweck an die geänderten Bedingungen der industrienahen Schmiedelinie angepasst werden. Dazu ist es notwendig, Versuche durchzuführen, bei denen bestimmte Zustände erzwungen werden, um die Überwachung anzulernen. Weiterhin ist es notwendig, das Überwachungssystem mit der bestehenden Anlage zu verknüpfen, so dass automatisiert Einfluss auf den Ablauf des Schmiedezyklus genommen wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Entwicklung eines Sensorsystems zur Sprühfeldüberwachung von Schmiedeprozessen, Schmiede-Journal 01/2012
Behrens, B.-A.; Lüken, I.
- Vergleich unterschiedlicher Konzepte zur sensorbasierten Überwachung von Sprühfeldern in der Warmmassivumformung. UTF Science, Meisenbach Verlag Bamberg, I 2012
Behrens, B.-A.; Pfeiffer, I.; Lüken, I.
