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WO2024012750A1 - Prozessmonitor für das freiformschmieden - Google Patents

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Publication number
WO2024012750A1
WO2024012750A1 PCT/EP2023/063564 EP2023063564W WO2024012750A1 WO 2024012750 A1 WO2024012750 A1 WO 2024012750A1 EP 2023063564 W EP2023063564 W EP 2023063564W WO 2024012750 A1 WO2024012750 A1 WO 2024012750A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
open
shape change
die forging
distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/063564
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English (en)
French (fr)
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WO2024012750A8 (de
Inventor
Martin Wolfgarten
Dieter SOMMLER
Ali Zafari
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
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Priority to US18/873,704 priority patent/US20250360556A1/en
Priority to EP23728316.3A priority patent/EP4554739A1/de
Priority to CN202380049886.6A priority patent/CN119451759A/zh
Publication of WO2024012750A1 publication Critical patent/WO2024012750A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2024012750A8 publication Critical patent/WO2024012750A8/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/04—Shaping in the rough solely by forging or pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/02—Die forging; Trimming by making use of special dies ; Punching during forging
    • B21J5/022—Open die forging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/02—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/06—Heating or cooling methods or arrangements specially adapted for performing forging or pressing operations

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring and regulating open-die forging presses and to an open-die forging press, which is connected to a control and regulation unit and is designed and set up to carry out this method.
  • Open-die forging is a forming technique associated with forging that aims to improve the mechanical properties of a workpiece and produce raw parts.
  • a workpiece is formed under pressure using tools that move against each other, where the tools can be both smooth and partially contain the shape of the workpiece itself.
  • the workpiece shape is created by targeted guidance of the workpiece and by controlling the forming force acting on the workpiece by the tools. This usually requires many working strokes of the tools until the workpiece has taken on the desired shape.
  • the workpieces are usually grasped by means of a forging manipulator and gradually formed over the entire length to be formed between a foot line at the beginning of the area to be formed and a hood line at the end of the area to be formed.
  • the workpiece length can therefore be determined from the distance between the hood line and the base line.
  • Open-die forging occurs as a hot forming process within a predetermined temperature window for the workpiece.
  • This workpiece temperature depends on the material and also usually takes it into account desired forming of the workpiece up to the final geometry as well as the forming energy specified by the pass plan and introduced into the workpiece.
  • Open-die forging presses are provided that follow steps (a). Calculating the geometry development of a workpiece in open-die forging using empirical models, (b) in parallel, ie simultaneously or at least partially overlapping in time, to step (a) of calculating the workpiece temperature over the cross section of the forged workpiece, (c) calculating the shape change distribution over the workpiece length , preferably using the geometry evolution calculated in step (a), and (d) comprising automatically or manually controlling the shape change distribution at a predetermined area based on the shape change distribution calculated in step (c).
  • the solution according to the invention to overcome these problems provides that the workpiece is moved to a defined initial position and a foot line is preferably set there for the forging process.
  • the workpiece is then forged and gradually moved through the press to a predetermined end position, which is preferably defined as a hood line.
  • the hood line is the beginning of the workpiece, which extends to the foot line described above.
  • the workpiece length results from the difference between the hood line and the foot line.
  • the geometry development is then calculated using the stitch plan and connections to the width known to those skilled in the art.
  • the measurement of the distance between the foot line and the hood line can now be repeated, which makes it possible to record the real geometry development and to correct any errors in the geometry calculation.
  • the model for geometry calculation it is possible to record the material-dependent stretching and spreading behavior.
  • the press stroke, the press force and/or the manipulator position are detected using suitable sensors and are used by the press and possibly also the manipulator to determine the width and change in length of the workpiece.
  • the implementation is usually carried out in operation with one or two manipulators, whereby when using two forging manipulators, the transfer of the workpiece from the first to the second manipulator is preferably also taken into account.
  • Temperature is a crucial target variable in open-die forging because it has a significant influence on the material properties, especially the structure of the workpiece. During forging, the temperature can only be measured on the surface, while the temperature inside cannot is measurable.
  • the method according to the invention thus provides for the calculation of the workpiece temperature over the cross section of the forged workpiece, this calculation of the workpiece temperature being carried out simultaneously or at least partially overlapping in time, thus parallel to the step of calculating the geometry development of the workpiece in open-die forging using empirical models.
  • the calculation of the temperature distribution is preferably carried out using one or more measuring systems, e.g. pyrometers or thermography systems, which measure the surface temperature at one or more points on the workpiece surface.
  • the calculation of the temperature distribution inside the workpiece is then carried out with the help of temperature models known to those skilled in the art.
  • the calculated temperature distribution is preferably displayed to the press operator, which advantageously supports the monitoring and regulation of open-die forging. In particular, this gives the operator the opportunity to interrupt the process at any time or to change it in the desired way.
  • Calculating the geometry development of the workpiece during open-die forging is preferably the basis for a further essential step of the method according to the invention, namely calculating the shape change distribution over the workpiece length.
  • the geometry variables obtained when calculating the geometry development are then used as input variables for a shape change model in order to calculate the shape change distribution and thus the core compression during open-die forging in parallel with the process.
  • a common shape change model for this purpose has been described, for example, by Dominik Recker in the publication “Development of fast process models and optimization options for open-die forging” from 2014, Shacker-Verlag, Aachen. Calculating the shape change distribution over the workpiece length is of great importance for open-die forging, since the process characteristics during free-forming Form forging results in an inhomogeneous distribution of the shape change in the workpiece.
  • the shape change model in particular the shape change model according to Recker described above, is expanded to include further geometries of the workpiece to be forged, in particular with regard to partially overforged blocks, conical blocks, polygonal blocks and round blocks.
  • the shape change distribution must be taken into account in a manner known to those skilled in the art, depending on the specific geometries of the workpieces to be produced, when using the shape change model.
  • the shape change distribution is finally regulated in a predetermined area based on the previously calculated shape change distribution.
  • the invention thus provides a holistic system for process control in open-die forging, in which the process and quality variables geometry, shape change and temperature are used using process data and control algorithms.
  • the predetermined temperature window for the open-die forging process is checked and a warning is preferably issued to the press operator when the temperature window defined as permissible for the workpiece is exceeded. It is particularly preferred if the method suggests, preferably automatically, suggestions for continuing the open-die forging process with the aim of achieving an ideal shape change distribution and, if necessary, implements them independently or at least after approval by the press operator.
  • the method according to the invention in addition to measuring the workpiece temperature and any measurement signals present from the open-die forging press and/or the at least one workpiece Manipulator, preferably the press stroke, the press force and the manipulator position(s) does not use any further measurement data. This limits the use of measuring sensors and the associated complexity to the necessary minimum while still enabling complete process monitoring of open-die forging.
  • steps (a) - (c) i.e. the calculation of the geometry development, the parallel calculation of the workpiece temperature over the cross section and the calculation of the shape change distribution over the workpiece length, are taken into account online during the open-die forging process in order to achieve the fastest possible readjustment of the To enable open-die forging process.
  • the calculation of the geometry development includes the calculation of the stretching and spreading behavior of the workpiece, preferably depending on the material. This advantageously supports both the monitoring and the regulation of the open-die forging process itself.
  • the parameters determined when calculating the geometry development of the workpiece using empirical models are used as input variables for a shape change model, to which the shape change distribution and preferably in the case of inhomogeneous shape change distribution over the cross section and / or length of the workpiece, also the Core compaction is determined.
  • a shape change model to which the shape change distribution and preferably in the case of inhomogeneous shape change distribution over the cross section and / or length of the workpiece, also the Core compaction is determined.
  • control and regulation unit displays the calculated variables of geometry distribution and/or shape change distribution and/or temperature change distribution to the operator, preferably also issues warnings in the event of deviations from predetermined ranges and/or suggestions for regulating the open-die forging process with the aim of Compliance with the predetermined ranges and/or to achieve an ideal shape change distribution.
  • This provides a process that is capable of producing optimal open-die forging results, optimized pass plans and optimal workpiece quality.
  • an open-die forging press which is connected to a control and regulation unit and which is designed and set up to carry out the method according to the invention according to the first aspect described above.
  • Figure 1 shows a first view of an open-die forging press at the beginning of the method according to the invention
  • Figure 2 is a view of an open-die forging press at the end of the open-die forging process.
  • Figure 1 shows an open-die forging press 1 with two mutually movable forging tools 2, 3.
  • the upper forging tool 3 is movably arranged against the lower forging tool 2 within the open-die forging press 1, with the workpiece 4, held by a forging manipulator 5, at the beginning of the open-die forging process Forging tools 2, 3 are introduced.
  • a foot line 7 is defined, which defines the beginning of the workpiece 4 or at least its length to be forged.
  • Figure 2 shows the same open-die forging press 1 as from Figure 1, with the workpiece 4 being completely formed between the forging tools 2, 3 at the end of the open-die forging process.
  • a hood line 8 is defined, which defines the end of the workpiece 4 to be formed.
  • the elongation AL of the workpiece 4 during the open-die forging process can then be determined from the difference between the foot line 7 from FIG. 1 and the hood line 8.
  • the person skilled in the art can also determine the material-dependent width AB based on the mass and volume constancy.
  • the geometry development can be calculated using the pass plan carried out during the forming of the workpiece 4 as well as known relationships to the width.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von Freiformschmiedeprozessen, umfassend die Schritte des: a) Berechnens der Geometrieentwicklung eines Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle, b) parallel, das heißt zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, zum Schritt a) des Berechnens der Werkstücktemperatur über den Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks, c) Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, vorzugsweise unter Nutzung der in Schritt a) berechneten Geometrieentwicklung, und d) Manuelles oder automatisches Regeln der Formänderungsverteilung in einen vorab festgelegten Bereich anhand der in Schritt c) berechneten Formänderungsverteilung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Freiformschmiedepresse, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.

Description

Prozessmonitor für das Freiformschmieden
1 . Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von Freiformschmiedepressen sowie eine Freiformschmiedepresse, welche mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit verbunden und dazu ausgelegt und eingerichtet ist, dieses Verfahren auszuführen.
2. Stand der Technik
Das Freiformschmieden ist eine zum Schmieden zugehörige Umformtechnik, die zum Ziel hat, die mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks zu verbessern sowie Rohteile herzustellen. Beim Freiformschmieden wird ein Werkstück mit gegeneinander bewegten Werkzeugen unter Druck umgeformt, wobei die Werkzeuge sowohl glatt sein als auch teilweise die Form des Werkstücks selbst enthalten können. Die Werkstückform entsteht durch gezielte Führung des Werkstücks und durch Steuerung der durch die Werkzeuge auf das Werkstück einwirkenden Umformkraft. Dabei sind üblicherweise viele Arbeitshübe der Werkzeuge erforderlich, bis das Werkstück seine gewünschte Form angenommen hat.
Die Werkstücke werden dabei üblicherweise mittels eines Schmiedemanipulators erfasst und über die gesamte umzuformende Länge zwischen einer Fußlinie zu Beginn des umzuformenden Bereichs und einer Haubenlinie zum Ende des umzuformenden Bereichs schrittweise umgeformt. Die Werkstücklänge ist somit aus dem Abstand zwischen Haubenlinie und Fußlinie ermittelbar.
Das Freiformschmieden erfolgt als Warmumformprozess innerhalb eines vorab festgelegten Temperaturfensters für das Werkstück. Diese Werkstücktemperatur ist werkstoffabhängig und berücksichtigt überdies auch üblicherweise die gewünschte Umformung des Werkstücks bis zur Endgeometrie sowie die durch den Stichplan vorgegebene und in das Werkstück eingebrachte Umformenergie.
Aus der US 2005/0247092 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Optimierung des Schmiedeprozesses bekannt. Ebenso offenbart die WO 23005/113172 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Optimierung des Schmiedeprozesses. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren benötigen zur Optimierung des Schmiedeprozesses jedoch extrem kostenintensive Messtechnik und ermöglichen keine Online- Temperaturberechnungen sowie Regelung des Freiformschmiedeprozesses. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen berücksichtigen überdies keine Rundblöcke, abgesetzten Wellen, teilüberschmiedete Bereiche und konische Gussblöcke bei Berechnung der Formänderung oder Formänderungsverteilung innerhalb des Werkstücks. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind somit kostenintensiv und erbringen nicht die für die Regelung von Freiformschmiedeprozessen unterschiedlicher Art gewünschten Ergebnisse.
3. Aufgabe der Erfindung
Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Freiformschmiedepresse zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, eine umfassende Lösung zum Prozessmonitoring beim Freiformschmiedepressen zu ergeben, ohne hierbei auf kostenintensive messtechnische Systeme zurückgreifen zu müssen. Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einem Verfahren, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 , sowie mit einer Freiformschmiedepresse, umfassend die Merkmale des Anspruchs 13, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
4. Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Überwachen und Regeln von
Freiformschmiedepressen zur Verfügung gestellt, das die Schritte (a) des Berechnens der Geometrieentwicklung eines Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle, (b) parallel, d. h. zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, zum Schritt (a) des Berechnens der Werkstücktemperatur über den Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks, (c) des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, vorzugsweise unter Nutzung der in Schritt (a) berechneten Geometrieentwicklung, und (d) das automatische oder manuelle Regeln der Formänderungsverteilung an einem vorab festgelegten Bereich anhand der in Schritt (c) berechneten Formänderungsverteilung umfasst.
Hierdurch wird eine umfassende Lösung zum Prozessmonitoring beim Freiformschmieden zur Verfügung gestellt. Kostenintensive messtechnische Systeme können weitestgehend, vorzugsweise gänzlich, vermieden werden. Während des Freiformschmiedens wird eine Elongation dfes Werkstücks entlang der Werkstücklängsachse beabsichtigt, so dass bei jedem Hub die Länge um den Wert AL ansteigt, während die Breite aufgrund der freien Seitenflächen des Werkstücks um AB zunimmt. Das Verhältnis aus Längenänderung und Breitenänderung, die sogenannte Streckung, ist dabei stark Werkstoff-, Temperatur- und Werkzeugabhängig. Somit ist die Vorhersage bzw. Vorabberechnung der Geometrie nur bedingt möglich. Existierende messtechnische Lösungen zur Verfassung der Geometrieentwicklung weisen den Nachteil auf, dass sie aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen extrem komplex und kostenintensiv sind und daher nur in wenigen Schmieden zum Einsatz kommen können.
Die erfindungsgemäße Lösung zur Überwindung dieser Probleme sieht vor, dass das Werkstück in eine definierte Anfangsposition verbracht wird und dort vorzugsweise eine Fußlinie für den Schmiedeprozess gesetzt wird. Daran anschließend wird das Werkstück geschmiedet und dabei schrittweise durch die Presse gefahren, bis zu einer vorab festgelegten Endposition, die vorzugsweise als Haubenlinie definiert wird. Manipulatorseitig wird die Haubenlinie der Beginn des Werkstücks, das sich bis zur oben beschriebenen Fußlinie erstreckt, definiert.
Aus Differenz von Haubenlinie und Fußlinie ergibt sich somit die Werkstücklänge.
Während der Schmiedung wird die Geometrieentwicklung dann über den Stichplan sowie dem Fachmann bekannte Zusammenhänge zur Breitung berechnet.
Zu vorab festgelegten Zeitpunkten, z. B. nach jedem zweiten Stich, kann nun die Messung des Abstands zwischen Fußlinie und Haubenlinie wiederholt werden, wodurch es möglich wird, die reale Geometrieentwicklung zu erfassen und etwaig auftretende Fehler der Geometrieberechnung zu korrigieren. Bezogen auf das Modell zur Geometrieberechnung ergibt sich somit die Möglichkeit, das werkstoffabhängige Streckungs- und Breitungsverhalten zu erfassen.
Weiterhin wird bevorzugt, wenn der Pressenhub, die Pressenkraft und/oder die Manipulatorposition mittels geeigneter Sensorik erfasst werden und von der Presse und gegebenenfalls auch der Manipulator dazu genutzt werden, die Breitung und die Längenänderung des Werkstücks zu bestimmen. Die Umsetzung erfolgt im Betrieb üblicherweise mit einem oder zwei Manipulatoren, wobei bei der Verwendung von zwei Schmiedemanipulatoren bevorzugt auch die Übergabe des Werkstücks vom ersten auf den zweiten Manipulator berücksichtigt wird.
Bevorzugt wird, wenn alle genannten Parameter prozessparallel in einer Datenbank abgelegt werden, wodurch die Möglichkeit entsteht, ein selbstlernendes und sich kontinuierliches verbesserndes Modell zur Geometriemessung und -berechnung im Freiformschmieden zu erhalten.
Die Temperatur ist eine entscheidende Zielgröße beim Freiformschmieden, weil diese wesentlich die Werkstoffeigenschaften, insbesondere das Gefüge des Werkstückes, beeinflusst. Während der Schmiedung kann die Temperatur nur an der Oberfläche gemessen werden, während die Temperatur im Inneren nicht messbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit das Berechnen der Werkstücktemperatur über dem Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks vor, wobei diese Berechnung der Werkstücktemperatur zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, somit parallel zum Schritt des Berechnens der Geometrieentwicklung des Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der Temperaturverteilung mit Hilfe von einem oder mehreren Messsystemen, z.B. Pyrometer oder Thermografiesysteme, die an einem oder mehreren Punkten an der Werkstückoberfläche die Oberflächentemperatur messen. Die Berechnung der Temperaturverteilung im Werkstückinneren erfolgt dann unter Zuhilfenahme von dem Fachmann bekannten Temperaturmodellen. Vorzugsweise wird die berechnete Temperaturverteilung dem Pressenbediener angezeigt, wodurch die Überwachung und das Regeln des Freiformschmiedens vorteilhaft unterstützt wird. Insbesondere gibt dies dem Bediener die Möglichkeit, den Prozess jederzeit zu unterbrechen oder bedienerseitig in gewünschter Weise abzuändern.
Das Berechnen der Geometrieentwicklung des Werkstücks beim Freiformschmieden ist vorzugsweise Grundlage für einen weiteren wesentlichen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge. Die beim Berechnen der Geometrieentwicklung gewonnenen Geometriegrößen werden dann als Eingangsgröße für ein Formänderungsmodell genutzt, um Prozess-parallel die Formänderungsverteilung und somit die Kernverdichtung beim Freiformschmieden zu berechnen. Ein hierfür gängiges Formänderungsmodell ist beispielsweise von Dominik Recker in der Veröffentlichung „Entwicklung von schnellen Prozessmodellen und Optimierungsmöglichkeiten für das Freiformschmieden“ aus dem Jahr 2014, Shacker-Verlag, Aachen, beschrieben worden. Das Berechnen der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge ist von hoher Bedeutung für das Freiformschmieden, da sich durch die Prozesscharakteristik beim Frei- formschmieden eine inhomogene Verteilung der Formänderung im Werkstück ergibt.
Bevorzugt wird erfindungsgemäß, wenn das Formänderungsmodell, insbesondere das oben beschriebene Formänderungsmodell nach Recker, um weitere Geometrien des zu schmiedenden Werkstücks erweitert wird, insbesondere hinsichtlich teilüberschmiedeten Blöcken, konischen Blöcken, polygonalen Blöcken und Rundblöcken. Hierzu muss in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise, die Formänderungsverteilung abhängig von den speziellen Geometrien der herzustellenden Werkstücke bei der Verwendung des Formänderungsmodells Berücksichtigung finden.
Erfindungsgemäß wird schließlich die Formänderungsverteilung in einem vorab festgelegten Bereich anhand der vorab berechneten Formänderungsverteilung geregelt. Die Erfindung stellt somit ein ganzheitliches System für die Prozessregelung im Freiformschmieden zur Verfügung, in welchem die Prozess- und Qualitätsgrößen Geometrie, Formänderung und Temperatur unter Nutzung von Prozessdaten sowie Regelalgorithmen benutzt werden.
Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn das vorab festgelegte Temperaturfenster für den Freiformschmiedeprozess kontrolliert und bevorzugt an den Pressenbediener eine Warnung ausgegeben wird, wenn das für das Werkstück als zulässig definierte Temperaturfenster verlassen wird. Besonders bevorzugt wird, wenn das Verfahren vorzugsweise automatisiert Vorschläge zur Fortführung des Freiformschmiedeprozess mit dem Ziel des Erreichens einer idealen Formänderungsverteilung vorschlägt und gegebenenfalls selbständig oder zumindest nach Freigabe durch den Pressenbediener umsetzt.
Besonders bevorzugt wird, wenn das erfindungsgemäße Verfahren neben der Messung der Werkstücktemperatur und gegebenenfalls vorhandener Messsignale der Freiformschmiedepresse und/oder des wenigstens einem Werkstück- Manipulators, vorzugsweise des Pressenhubs, der Pressenkraft und der Manipulatorenposition(en) keine weiteren Messdaten nutzt. Hierdurch wird die Verwendung von Messsensorik und die damit verbundene Komplexität auf das notwendige Minimum beschränkt und gleichzeitig dennoch ein vollständiges Prozessmonitoring des Freiformschmiedens ermöglicht.
Besonders bevorzugt wird, wenn die Schritte (a) - (c), somit des Berechnens der Geometrieentwicklung, des parallelen Berechnens der Werkstücktemperatur über den Querschnitt sowie des Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, während des Freiformschmiedeprozesses online mitgerechnet wird, um eine schnellstmögliche Nachregelung des Freiformschmiedeprozesses zu ermöglichen.
Insbesondere wird bevorzugt, wenn die Berechnung der Geometrieentwicklung die Berechnung des Streckungs- und Breitungsverhaltens des Werkstücks vorzugsweise Werkstoff-abhängig umfasst. Hierdurch wird sowohl das Monitoring als auch das Regeln des Freiformschmiedeprozesses selbst vorteilhaft unterstützt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die bei der Berechnung der Geometrieentwicklung des Werkstücks unter Nutzung empirischer Modelle ermittelten Parameter als Eingangsgrößen für ein Formänderungsmodell verwendet, dem die Formänderungsverteilung und vorzugsweise bei inhomogener Formänderungsverteilung über den Querschnitt und/oder Länge des Werkstücks, auch die Kernverdichtung ermittelt wird. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das insbesondere bei Werkstückgeometrie, die von Rundgeometrien abweicht, insbesondere bei abgesetzten Wellen, eine bestmögliche Aussage über den Freiformschmiedeprozess und die Eigenschaften des bearbeiteten Werkstücks erlaubt. Es wird in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn eine Steuerungs- und Regelungseinheit vorgesehen ist, die mit einer Datenbank verbunden, in der sämtliche erfassten Messdaten und berechneten Parameter abgespeichert werden. Hiermit wird ein Verfahren geschaffen, das vorzugsweise selbstlernend in der Lage ist, die Regelalgorithmen auch im Falle der Herstellung komplexer Werkstückgeometrien und besonderer Werkstückgüten so einzustellen, dass ein bestmögliches Schmiedeergebnis erzielt wird.
Besonders bevorzugt wird dabei, wenn die Steuerungs- und Regelungseinheit die berechneten Größen von Geometrieverteilung und/oder Formänderungsverteilung und/oder Temperaturänderungsverteilung an den Bediener anzeigt, vorzugsweise zudem Warnungen bei Abweichen von vorab festgelegten Bereichen ausgibt und/oder Vorschläge zur Regelung des Freiformschmiedeprozess mit Ziel der Einhaltung der vorab festgelegten Bereiche und/oder zum Erreichen einer idealen Formänderungsverteilung ausgibt. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das optimale Freiformschmiedeergebnisse, optimierte Stichpläne und optimale Werkstückgüten herzustellen in der Lage ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Freiformschmiedepresse zur Verfügung gestellt, die mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit verbunden ist und die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt auszuführen.
Sämtliche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile und technischen Effekte sind somit auch mittels einer solchen erfindungsgemäßen Freiformschmiedepresse erreichbar.
5. Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf zwei Figuren näher erläutert, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert sind, ohne dass diese geeignet wären, im Schutzbereich der Erfindung, der in den Ansprüchen definiert ist, einzuschränken. In den Figuren zeigen
Figur 1 eine erste Ansicht auf eine Freiformschmiedepresse zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 eine Ansicht auf eine Freiformschmiedepresse zum Ende des Freiformschmiedeprozesses.
6. Detaillierte Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine Freiformschmiedepresse 1 mit zwei zueinander beweglich angeordneten Schmiedewerkzeugen 2, 3. Das obere Schmiedewerkzeug 3 ist beweglich gegen das untere Schmiedewerkzeug 2 innerhalb der Freiformschmiedepresse 1 angeordnet, wobei das Werkstück 4, gehalten von einem Schmiedemanipulator 5, zu Beginn des Freiformschmiedeprozesses an die Schmiedewerkzeuge 2, 3 herangeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Fußlinie 7 festgelegt, die den Beginn des Werkstücks 4 oder zumindest seiner zu schmiedenden Länge, festlegt.
Figur 2 zeigt die gleiche Freiformschmiedepresse 1 wie aus Figur 1 , wobei das Werkstück 4 zum Ende des Freiformschmiedeprozesses vollständig zwischen den Schmiedewerkzeugen 2, 3 umgeformt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Haubenlinie 8 festgelegt, die das Ende des umzuformenden Werkstücks 4 festlegt. Aus der Differenz von Fußlinie 7 aus Figur 1 und Haubenlinie 8 wird dann die Längung AL des Werkstücks 4 während des Freiformschmiedeprozesses bestimmbar. Der Fachmann kann hieraus aufgrund der Massen- und Volumenkonstanz auch die werkstoffabhängige Breitung AB bestimmen. Während des Schmiedeprozesses kann die Geometrieentwicklung über den während der Umformung des Werkstücks 4 durchgeführten Stichplan sowie bekannte Zusammenhänge zur Breitung berechnen. Dem Fachmann sind derartige werkstoffabhängige Zusammenhänge beispielsweise aus Tomlinson, A; Stringer, J.D.: „Spread and elongation in flat tool forging“ aus dem Journal of the Iron and Steel Institute 193, 1959, S. 157 - 162, hinlänglich bekannt. Hierdurch kann vermieden werden, dass durch unbekanntes Werkstückverhalten Fehler entstehen, die sich ansonsten kontinuierlich aufaddieren würden.
Bezugszeichenliste
1 Freiformschmiedepresse 2 Schmiedewerkzeug
3 Schmiedewerkzeug
4 Werkstück
5 Schmiedemanipulator
7 Fußlinie 8 Haubenlinie

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Überwachen und Regeln von Freiformschmiedeprozessen, umfassend die Schritte des: a) Berechnens der Geometrieentwicklung eines Werkstücks beim Freiformschmieden unter Nutzung empirischer Modelle, b) parallel, das heißt zeitgleich oder zumindest teilweise zeitüberschneidend, zum Schritt a) des Berechnens der
Werkstücktemperatur über den Querschnitt des geschmiedeten Werkstücks, c) Berechnens der Formänderungsverteilung über die Werkstücklänge, vorzugsweise unter Nutzung der in Schritt a) berechneten Geometrieentwicklung, und d) Manuelles oder automatisches Regeln der Formänderungsverteilung in einen vorab festgelegten Bereich anhand der in Schritt c) berechneten Formänderungsverteilung.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) eine Fuß- und eine Haubenlinie für den Freiformschmiedeprozess definiert und die Geometrieentwicklung ggf. korrigiert wird.
3. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) eine Messung der Werkstücktemperatur, vorzugsweise mittels eines Pyrometers oder eines Thermografiesystems, und ggf. eine Regelung des Freiformschmiedeprozesses mit dem Ziel der Einhaltung eines vorab festgelegten Werkstücktemperaturbereichs erfolgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Temperatur als Vergleichsgröße in einem Berechnungsmodell genutzt wird, welches die Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt des Werkstücks, vorzugsweise auch über die Länge des Werkstücks, berechnet.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die werkstoffabhängige Einhaltung eines vorab festgelegten Werkstücktemperaturbereichs überwacht und vorzugsweise geregelt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren neben der Messung der Werkstücktemperatur und ggf. vorhandener Messsignale der Freifomschmiedepresse und/oder des wenigstens einen Werkstück-Manipulators, vorzugsweise des Pressenhubs, der Pressenkraft und der Manipulatorposition(en), keine weiteren Messdaten nutzt.
7. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) online während des Freiformschmiedeprozesses mitgerechnet werden.
8. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke Rundblöcke, abgesetzte Wellen und/oder konische Gussblöcke sind und/oder teilüberschmiedete Bereiche aufweisen können.
9. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Geometrieentwicklung die Berechnung des Streckungs- und Breitungsverhalten des Werkstücks, vorzugsweise werkstoffabhängig, umfasst.
10. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) berechneten Größen für die Geometrieentwicklung als Eingangsgrößen für ein Formänderungsmodell verwendet werden, mit dem die Formänderungsverteilung und vorzugsweise bei inhomogener Formänderungsverteilung über den Querschnitt und/oder die Länge des Werkstücks die Kernverdichtung ermittelt werden.
11 . Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs- und Regelungseinheit vorgesehen ist, die mit einer Datenbank verbunden ist, in der sämtliche erfassten Messdaten und berechneten Parameter abgespeichert werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Regelungseinheit die berechneten Größen von Geometrieverteilung und/oder Formänderungsverteilung und/oder Temperaturverteilung an den Bediener anzeigt, vorzugsweise zudem Warnungen bei Abweichungen vom Zielzustand, vorzugsweise durch Bereiche mit zu niedriger Formänderung, ausgibt und/oder Vorschläge zur Regelung des Freiformschmiedeprozesses mit dem Ziel der Einhaltung der vorab festgelegten Bereiche und/oder zum Erreichen einer idealen Formänderungsverteilung ausgibt.
13. Freiformschmiedepresse, verbunden mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.
14. Freiformschmiedepresse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Regelungseinheit mit einer Datenbank verbunden ist, in der sämtliche von Sensoren erfassten Messdaten und von einem Formänderungsmodell berechneten Parameter abspeicherbar sind. Freiformschmiedepresse gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Regelungseinheit mit einer Anzeigeeinheit verbunden ist, mittels der die berechneten Größen von Geometrieverteilung und/oder Formänderungsverteilung und/oder Temperaturverteilung an den Bediener anzeigbar sind, vorzugsweise zudem Warnungen bei Abweichen von vorab festgelegten Bereichen und/oder Vorschläge zur Regelung des Freiformschmiedeprozesses mit dem Ziel der Einhaltung der vorab festgelegten Bereiche und/oder zum Erreichen einer idealen, vorzugsweise gleichmäßigen, Formänderungsverteilung ausgebbar sind.
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