Verbesserung der Formtoleranzen kaltgewalzter Spaltbänder durch eine piezoelektrisch unterstützte Walzspaltregelung

Schätzler, Sven Matthias; Hirt, Gerhard (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt mögliches Verbesserungspotenzial der Dicken- und -breitentoleranzen bei der Produktion von dünnen und sehr schmalen (>20 mm) kaltgewalzten Spaltbändern. Diese gewonnenen Erkenntnisse haben unmittelbaren Mehrwert für den Fertigungsprozess, weil die Formtoleranzen dieser Halbzeuge direkten Einfluss auf die Güte der daraus hergestellten Produkte haben. Die Arbeit beschreibt im Detail, wie durch einen zusätzlichen Hochpräzisionswalzprozess an einem modifizierten Tandemkaltwalzwerk die zurzeit produzierbaren Formtoleranzen verbessert werden können. Zunächst fokussiert sich die Arbeit auf die Verbesserung der Dickentoleranzen durch ein, in Zusammenarbeit mit dem IRT der RWTH Aachen University erstellten modellprädiktiven Banddickenregelungskonzept. Dieses versucht während des Walzens möglichst viele Prozessstörungen der gewalzten Banddicke zu kompensieren, indem der Walzspalt fortlaufend hochpräzise und -dynamisch angepasst wird. Dieses Regelungskonzept greift unter anderem auf eine selbstentworfene Banddickenmessvorrichtung zurück, um hochfrequente Banddickenschwankungen messen zu können. Darüber hinaus setzt es verschiedene Adaptionsverfahren ein, um beispielsweise niederfrequente, nicht messbare Prozesseinflüsse zu berücksichtigen. Da bei hohen Walzgeschwindigkeiten konventionelle Aktoren zur Walzspalteinstellung diesen dynamischen Anforderungen nicht mehr standhielten, wurde in dieser Arbeit die Eignung piezoelektrischer Anstellaktoren beleuchtet. Bei kleinen Walzkräften, wie sie beim Hochpräzisionswalzen derartiger Spaltbänder vorliegen, zeigen piezoelektrische Aktoren gegenüber konventionellen Anstellaktoren eine überlegene Dynamik. Doch aufgrund ihres geringen Stellweges können diese nur ergänzend zu herkömmlicher Anstellaktorik eingesetzt werden. Durchgeführte experimentelle Untersuchungen zeigten, dass selbst bei der maximalen Anlagengeschwindigkeit von 300 m/min das piezoelektrisch unterstützte Anstellsystem der Solltrajektorie sehr gut folgen kann. Dabei konnte mit diesem zusätzlichen Hochpräzisionswalzstich die vorliegenden Dickentoleranzen von 8 µm um die Hälfte reduziert werden. In einem zusätzlichen Teil der Arbeit wurde das Konzept der Banddickenregelung erweitert, um durch das Flachwalzen mit piezoelektrisch unterstützter Walzenanstellung ebenso die Breitentoleranz eines Spaltbandes verbessern zu können. Dabei galt es zu berücksichtigen, dass beim Flachwalzen die zur Banddickentoleranz notwendige Walzspaltänderung zwangsläufig auch die Breite des Walzgutes verändert. Deswegen benötigt es zur gleichzeitigen Einstellung einer definierten Bandbreite und -dicke neben der Walzenanstellung zwangsläufig eine weitere Einflussgröße. Durchgeführte modellbasierte FEM-Simulationen zeigten, dass hierfür die Aufteilung der Gesamthöhenabnahme auf zwei Walzgerüste mit unterschiedlichen Walzenradien geeignet ist. Denn je größer der Arbeitswalzenradius, desto mehr Material fließt beim Flachwalzen in die Breite des Bandes. Ist zur Verbesserung der Breitentoleranzen mehr Breitung erwünscht, so kann das Walzgerüst mit den größeren Arbeitswalzen einen höheren Teil der benötigten Gesamthöhenabnahme übernehmen. Eine experimentelle Überprüfung bestätigte, dass diese Methode geeignet ist, um die Breite derartiger Spaltbänder in dem benötigten Umfang zu beeinflussen. Dabei konnte mit dem erweiterten Regelungssystem für über 80 % der Bandlänge auch die Breitentoleranzen um über die Hälfte verbessert werden. Die hier erarbeiteten Erkenntnisse können zukünftig einen Beitrag zur noch genaueren industriellen Produktion von kaltgewalzten Spaltbändern leisten.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl und Institut für Bildsame Formgebung [523410]