Eine Einführung in die Plattennivellierung

Auf der Montage- und Prüffläche von American Steel Products befindet sich ein Nivelliersystem für vier Ebenen, das Bleche mit einer Dicke von 0,25 bis 6 Zoll und einer Breite von bis zu 160 Zoll verarbeiten kann.

Die meisten Metallverarbeiter wissen, wie wichtig eine ordnungsgemäße Nivellierung ist. Die Verfahren zur Herstellung von Blechen im Walzwerk erzeugen ein Blech mit eingeschlossenen Spannungen, einem virtuellen Tauziehen zwischen Spannung und Druck. Eine Platte wird flach, wenn diese Kräfte in allen Richtungen der Platte im Gleichgewicht sind.

Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, können Coil-Verarbeiter verschiedene korrigierende Richttechnologien einsetzen – Spannungsrichten, Temperdurchgangsrichten und sogar Streckenrichten – die Walzenrichten bleibt jedoch die vorherrschende Technologie.

Die meisten korrigierenden Nivellierungstechnologien konzentrieren sich auf Bleche mit einer Dicke von 0,25 Zoll und dünner, aber wie sieht es mit der Plattennivellierung aus? Jeder, der in der schweren Fertigung tätig ist, beispielsweise bei der Fertigung großer Tanks oder bei Arbeiten an Druckbehältern, bei denen schweres Walzen erforderlich ist, kennt die Herausforderungen, wenn beim Schneiden oder Formen einer Platte Spannungen freigesetzt werden. Der Prozess wird weniger vorhersehbar. Aber die Technologie zum Nivellieren von Blechen – manchmal bis zu 6 Zoll dick – kann dazu beitragen, dass schwere Fertigungen viel vorhersehbarer, schneller und kostengünstiger werden.

Der Bedarf an Blechrichtarbeiten reicht Jahrzehnte zurück. Mehrere Zoll dicke Bleche, die für Schiffe und U-Boote aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelt wurden, mussten vor Beginn der Fertigung flach sein, weshalb eine Nivellierung erforderlich war, die normalerweise im Werk erfolgte. Im Laufe der Jahre wurde die Plattennivellierung immer wichtiger, da die Materialien immer komplexer wurden. Tanks und Schiffe sind Paradebeispiele sowie andere Produkte, die im Laufe der Jahre für Ölfelder, Erdgasanlagen, die Wasserversorgungsindustrie, Lebensmittelverarbeitungsanlagen, den Brückenbau und anderswo hergestellt wurden.

In einigen Bereichen der Lebensmittel- und Chemieverarbeitung werden plattierte Bleche verwendet, die einen dicken Grundmetallabschnitt aus Kohlenstoffstahl und eine plattierte Schicht aus Edelstahl um den Innendurchmesser umfassen, um Korrosion und chemische Reaktionen mit Säure an der Innenwand zu verhindern und gleichzeitig das Schweißen von Komponenten zu ermöglichen zum Kohlenstoffstahl am Außendurchmesser. Einige Tanks sind mit Gummi oder Glas ausgekleidet. Rohre mit großem Durchmesser aus hochfestem Blech, die für Offshore-Bohrungen von entscheidender Bedeutung sind, müssen ebenfalls nivelliert werden.

Einige Hersteller arbeiten mit extrem dicken Edelstahlblechen, sogar Blechen, die aus mehreren miteinander verschmolzenen Legierungen bestehen. Ein Unternehmen namens Dynamic Materials Corp. verschmilzt beispielsweise 0,25 Zoll dicken Edelstahl mit bis zu 3 Zoll dickem Kohlenstoffstahl. Angesichts des Börsentickers „BOOM“ ist es nicht verwunderlich, dass das Unternehmen den Edelstahl in einer unterirdischen Kammer durch eine einzigartige Form des Explosionsschweißens mit Kohlenstoffstahl verschmilzt. All dies führt zu einer außergewöhnlich starken, dicken Platte, die vor dem Schneiden und Formen in einer Fertigungswerkstatt geebnet werden muss.

In all diesen Arbeiten gelten 0,25 Zoll als dünn. Der größte Teil dieser Platte ist dicker und ein Großteil davon ist mehrere Zoll dick. Führen Sie eine rohe, 3 Zoll dicke Platte voller ungleichmäßiger, eingeschlossener Spannungen durch eine Biegewalze mit drei oder vier Walzen, und es besteht kaum eine Chance, dass Sie mit Leichtigkeit einen perfekten Zylinder herstellen, bei dem die vorbereiteten Kanten aufeinander treffen genau an der richtigen Stelle für das anschließende Schweißen.

Wenn ein Bediener unabhängig vom Verfahren mit einer Platte beginnt, die in der Mitte verbogen ist oder eine Reihe anderer Formfehler aufweist, wird dieser Vorgang wahrscheinlich mühsamer und viel teurer. Aus diesem Grund verwendet ein Bediener zunächst eine lange gerade Kante (z. B. 8 Fuß), um sicherzustellen, dass die Platte in allen Richtungen eben ist, bevor sie mit der Formung oder Fertigung beginnt.

Industriestandards für die Ebenheit von Platten legen einen bestimmten Grad an Ebenheit fest. 0,25 Zoll. Eine Abweichung von mehr als 8 Fuß ist eine übliche Spezifikation. Bei vielen Plattenherstellungsvorgängen sind jedoch viel engere Ebenheitstoleranzen erforderlich, die manchmal nur einen kleinen Bruchteil des Industriestandards betragen. Hier kommt die präzise Plattennivellierung ins Spiel.

Wenn ein Verarbeiter oder ein anderer Hersteller ein Blech kauft, das nicht nivelliert ist, kann es sein, dass der Empfänger des Materials die Formfehler sofort bemerkt. Dazu gehören eine Armbrust in der Breite und eine geschwungene Kurve in der Länge.

4340-Legierungsblech, Streckgrenze 150-KSI, wird einem Nivellierungsprozess unterzogen. Massive, präzise gesteuerte Hydraulikzylinder bestimmen die Eindringtiefe der einzelnen Walzen. Dieses System kann Bleche mit einer Dicke von bis zu 6 Zoll nivellieren und eine Trennkraft von bis zu 6.000 Tonnen ausüben.

Wenn Sie wissen, wie eine Rollenrichtmaschine Blech bearbeitet, haben Sie eine Vorstellung davon, wie eine Hochleistungs-Blechrichtmaschine Blech bearbeitet. Die meisten Walzenrichtmaschinen für dünnes Material verfügen über große Stützwalzen aus Legierung hinter den Hauptwalzen aus Legierung; Beispielsweise verfügt eine Achtermaschine über Stützwalzen mit großen Rollenlagern oben und unten. Das Design ermöglicht eine geringere Durchbiegung der Walzen und ermöglicht Feineinstellungen, um ein gleichmäßiges, flaches Material zu erzeugen. Das Blatt gelangt durch die ersten Rollen mit der größten Durchdringung und folgt dem sogenannten Differentialweg um abwechselnde oder versetzte obere und untere Rollen.

Plattenrichtmaschinen üben eine Trennkraft von bis zu 6.000 Tonnen oder die von den Walzen ausgeübte Vertikalkraft aus. Tatsächlich üben Hochleistungsblechrichtmaschinen Kräfte aus, die sogar die Kräfte der Walzwerke, die den Stahl produzieren, übertreffen. Die gesamte Kraft kommt von leistungsstarken Zylindern, die einen Hydraulikdruck von 10.000 Pfund pro Quadratzoll ausüben.

Bei den meisten Blechrichtmaschinen handelt es sich um Achtermaschinen mit deutlich größeren Stützwalzen hinter den Arbeitswalzen. Der Betrieb dieser Maschinen ähnelt in gewisser Weise dem Betrieb einer Walzenrichtmaschine, ist jedoch in vielerlei Hinsicht anders, vor allem aufgrund der extremen Kräfte und der Spanne der Streckgrenzen in verschiedenen Bereichen einer bestimmten Platte. Die Ausbeute kann sich von einem Bereich der Platte zum anderen und in alle Richtungen ändern. Dadurch entsteht ein Anpassungsbedarf, und hier unterscheidet sich die Plattenrichtmaschine von der herkömmlichen Walzenrichtmaschine.

Um eine Rollenrichtmaschine einzustellen, kann ein Bediener eine Reihe zusammengebundener Rollen auf derselben Ebene einstellen. Dies würde unter den erforderlichen Parametern für die Blechnivellierung nicht funktionieren, da hier häufig extreme Kräfte und erhebliche Eindringunterschiede von einer Walze zur nächsten erforderlich sind. Wenn die Arbeitswalzen in einem Gang verbunden sind, wird die Materialdurchdringung begrenzt, die der Bediener erreichen kann.

Um die maximale Eindringtiefe zu erreichen und die für die Plattennivellierung erforderlichen Feineinstellungen vorzunehmen, wird die Einstellung jeder Walze durch einen speziellen, präzisionsgesteuerten Hydraulikzylinder betätigt, wobei jede Walzeneinstellung ±0,001 Zoll misst.

Da die Materialausbeute an verschiedenen Stellen entlang der Länge und Breite der Platte erheblich variieren kann, ist die Anpassungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Einige Plattenrichtmaschinen verwenden prozessbegleitende Lasermessgeräte. Durch die Laser erhält die Maschine in Echtzeit einen Überblick über den Materialzustand. Eine unerwartet große Änderung der Streckgrenze führt dazu, dass eine bestimmte Walzeneinstellung die Materialform auf andere Weise beeinflusst; Misst der Laser die Materialposition außerhalb eines bestimmten Toleranzfensters, kann der Nivelliervorgang entsprechend kompensieren.

Bei einer typischen Blechnivellierungsanordnung bewirken Biegerollen gleichmäßige Biegungen in positiver und negativer Richtung. Die ersten Walzensätze haben im Allgemeinen eine tiefe Eindringtiefe, um die Verformung zu beseitigen und die Spannung auszugleichen – im Wesentlichen „die Knicke aus der Platte herauszubekommen“ –, während die letzten drei Walzensätze die endgültige Geradheit steuern.

Eine Platte wird nicht immer nach nur einem Durchlauf durch die Maschine vollständig flach. In einigen Fällen wird es einmal durch die Rollen geschickt, dann umgekehrt und dann noch einmal durch die Rollen geschickt. Sehr oft verlässt das Blech die Richtmaschine nach dem ersten Durchgang mit einer schwungvollen Aufwärtskurve. In gewissem Sinne ersetzt die Richtmaschine eine Vielzahl von Formfehlern durch nur einen einzigen, eine gleichmäßige Krümmung, die dann beseitigt werden kann, indem die Platte umgedreht durch die Walzen geführt und erneut hindurchgeschickt wird, um die endgültige Nivellierung durchzuführen. Normalerweise behält der Bediener die gleichen Walzeneinstellungen sowohl für den ersten Walzendurchgang als auch für den Rückwärtsdurchlauf bei. Es kann der dritte Durchgang sein, in dem der Bediener die letzten, entscheidenden Änderungen vornimmt.

Der Bediener liest ein Buch durch, das ihm die digitalen Einstellungen für eine bestimmte Materialausbeute und -dicke gibt. Der Bediener muss das Material jedoch beim ersten Durchgang sorgfältig prüfen. Wenn die Ausbeute erheblich schwankt – und das kann einfach aufgrund der Herstellung der Bleche im Walzwerk, einschließlich des Abschreckprozesses – der Fall sein, muss der Bediener möglicherweise erhebliche Anpassungen an den Richtmaschineneinstellungen im letzten Durchgang (oder in den letzten Durchgängen) vornehmen.

Auf einer Achter-Blechrichtmaschine mit Einzelwalzenverstellung geht eine Platte mit Armbrust in den ersten Durchgang.

Gelegentlich muss der Bediener diesen Vorgang zwei- oder dreimal wiederholen, bevor die Platte in alle Richtungen perfekt flach herauskommt. Normalerweise führt der Bediener den Nivellierungsvorgang jedoch in nur drei Durchgängen durch – vorwärts, rückwärts und dann noch einmal vorwärts durch die Maschine.

Es ist ein Balanceakt, denn ein Plattennivellierer möchte die Platte nie überbeanspruchen. Durch Überbeanspruchung können sich das Material und seine Eigenschaften so stark verändern, dass eine spätere Fertigung erschwert oder unmöglich wird. Und angesichts der Größe und des Wertes des Materials kann eine übermäßige Bearbeitung in einer Blechrichtmaschine zu sehr teurem Ausschuss führen. Aus diesem Grund ist die Fähigkeit zur Feinabstimmung der Walzeneinstellungen, insbesondere bei den letzten Arbeitswalzen, so wichtig.

Durch eine solche Feinabstimmung an der Richtmaschine kann verhindert werden, dass weiter stromabwärts außerordentlich teurer Ausschuss anfällt. In der Schwerfertigung kann ein einzelnes Werkstück einen sechsstelligen Preis haben, noch bevor der Hersteller überhaupt Wert darauf gelegt hat. Je flacher die Platte ist, desto konsistenter werden die nachgelagerten Abläufe und desto profitabler und erfolgreicher kann ein Schwerverarbeiter sein.

Ford Cauffiel ist Präsident von American Steel Products Co., einem Geschäftsbereich von Cauffiel Industries.