Umformmaschinen und -werkzeuge

Rohr- und Profilbearbeitung

Wenn Bleche zu Blumen erblühen

Wenn man in der Blechbearbeitung von Profilblumen oder Umformblumen spricht, ist nicht das Veilchen am Auge des Maschinenbedieners gemeint, sondern die Festlegung der Querschnittsformen beim Walzprofilieren. Mit geeigneten Software-Paketen lässt sich die Konstruktion der erforderlichen Rollenwerkzeuge deutlich einfacher gestalten – Wissen auf Knopfdruck.

Ein bedeutender Profil-Baustein zur Qualitätssicherung ist die Profil-Spannungs-Analyse (PSA). Bild: Ubeco

Die Profilform ist beliebig, es können einfache und komplizierte Querschnitte auf diese Weise hergestellt werden. Zu jedem Profilquerschnitt ist ein eigener Werkzeugsatz (Rollensatz) erforderlich. Dazu entwirft man zunächst die sogenannte Profilblume, das heißt, man legt für jedes Umformgerüst die Querschnittsform fest. Anschließend entwirft man die Form der Rollenwerkzeuge. Weit verbreitete Softwaresysteme zur Konstruktion sind „Profil“ von Ubeco und „Copra“ von Data M, die auch verschiedene Bausteine zur Qualitätssicherung bis hin zur FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode) enthalten.

Das Softwarepaket Profil der Ubeco GmbH, Iserlohn, ist maßgeschneidert für die Herstellung von kaltgewalzten Profilen, geschweißten Rohren und den Bau von Profilwalzanlagen und Rohrschweißanlagen. Es unterstützt bei der Projektierung, Konstruktion, Berechnung und Zeichnung des Profils, der Umformstufen (Profilblume) und der zur Herstellung erforderlichen Rollenwerkzeuge. Mit Profil arbeitet man wie mit einem CAD-System: Die Zeichnung des Profils oder der Rollen ist ständig auf der Zeichenfläche sichtbar.

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Profilblume vollautomatisch erzeugen

Eine völlig neue Funktion der Walzprofiliersoftware Ubeco Profil ist nun die vollautomatische Erzeugung der Profilblume, mit der die Konstruktion von Rollensätzen für wiederkehrende Profilformen wesentlich beschleunigt wird. Das dazu notwendige Know-how wird einer Wissens- und Erfahrungsdatenbank entnommen, die mit zunehmender Nutzung des Systems immer umfangreicher wird. Damit ist aus der Walzprofiliersoftware ein Expertensystem geworden. Profilkonstrukteure sammeln im Laufe der Zeit Erfahrung in der Auslegung von Rollenwerkzeugen für bestimmte Profilformen. Wenn dann ein neuer Rollensatz entworfen werden muss, nimmt man sich ein ähnliches Profil als Muster, von dem man weiß, dass es erfolgreich auf der Profiliermaschine gelaufen ist. Dann ändert man Profilblume und Rollen entsprechend der neuen Profilform ab.

Die Walzprofiliersoftware automatisiert diesen Vorgang nun weitgehend. Aus einer vorhandenen Konstruktion wird zunächst ein Abwickelplan erzeugt, eine Tabelle mit Biegewinkeln und Biegeverfahren über alle Umformstiche (Walzgerüste). Der Abwickelplan kann auch manuell erstellt und verändert werden. Damit der Plan auch für abweichende Biegewinkel verwendbar ist, können bei Bedarf die Winkel von Grad in Prozent, bezogen auf den Fertigwinkel, umgerechnet werden. Der Abwickelplan kann mit Bemerkungen versehen abgespeichert werden, so dass im Laufe der Zeit eine firmenspezifische Wissens- und Erfahrungsdatenbank für unterschiedliche Profilformen entsteht.

Bestehenden Abwickelplan auf neues Profil anwenden

Soll nun die Umformblume für ein neues Profil entworfen werden, öffnet der Konstrukteur einfach den passenden Abwickelplan und wendet ihn auf das neue Profil an. Die Umformblume für alle Profilstiche entsteht auf diese Weise vollautomatisch. Entscheidend dabei ist, dass die Blume nicht nach irgendeinem in der Software hinterlegten Algorithmus erzeugt wird – dies würde nach Überzeugung der Ubeco-Experten von Anwendern kaum akzeptiert werden –, sondern dass über den Abwi-ckelplan die firmeninterne Erfahrung mit dieser Profilform in die neue Konstruktion einfließt. Auf das Ergebnis können anschließend die Methoden der Qualitätssicherung angewandt werden.

Die Vorteile des Softwarepakets Profil bringt Roland Brandegger, Geschäftsführer der Ubeco GmbH, Iserlohn, so auf den Punkt: „Profil ist speziell auf die Bedürfnisse des Konstrukteurs von Rollensätzen für das Walzprofilieren zugeschnitten. Es enthält nicht nur spezielle Berechnungsroutinen für beispielsweise gestreckte Länge, Rückfederung, Statik, Bandkantendehnung oder Biegeverfahren, sondern stellt auch während der Konstruktion das Profil, die Umformblume, die Rollensätze und die Ergebnisse der Spannungsberechnung grafisch auf der eigenen Bedienoberfläche anschaulich dar.“

Programm kann mit jedem CAD-System gekoppelt werden

Das Besondere sei, dass es ein unter Windows autark laufendes Programm ist. Es benötigt kein zusätzliches CAD-System, kann jedoch über Schnittstellen wie ActiveX, DXF, IGES, MI und demnächst auch STEP mit jedem beliebigen CAD-Programm gekoppelt werden. „Damit braucht der Anwender“, so Brandegger, „mit einem vorhandenen CAD-System dies nicht zu wechseln, wenn er Rollensätze für das Walzprofilieren machen will.“

Weiterhin enthält Profil mehrere Baustei-ne zur Qualitätssicherung, die dem Konstrukteur helfen, die gefürchteten Formabweichungen und damit Ausschuss zu vermeiden: „Dies beginnt bei der schnellen Berechnung der Bandkantendehnung und führt über die Profil-Spannungs-Analyse (PSA) bis hin zur Simulation mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM).“

Werden relativ breite Bänder in einer Walzprofilieranlage zu Trapezprofilen geformt, ist der Verlauf der Bandkante für den Erfolg von entscheidender Bedeutung. Die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten ist die Gerade – doch dabei wird die Bandkante sowohl im Einlauf als auch im Auslauf geknickt. Deshalb gilt als zweiter wichtiger Gesichtspunkt für die Wahl der Übergangskurve, dass die Bandkante tangential ein- und auslaufen muss. In der Praxis benutzt man häufig einen linearen Übergang mit Rundungsradien im Ein- und Auslauf oder einen kosinusförmigen Verlauf.

Nachdem ein neuer Rollensatz für ein Kaltwalzprofil fertig konstruiert ist, müssen noch die Unterlagen für die Fertigung erstellt werden. Dazu gehört auch für jedes Walzengerüst ein Rollenaufbauplan, der sowohl das zusammengebaute Gerüst als auch die Rollen einzeln mit Bemaßung darstellt. Dies geschieht innerhalb des Softwarepakets Profil weitgehend automatisch. Es wird eine vorbereitete Formatvorlage ausgewählt und das zusammengebaute Gerüst erscheint im Zentrum. Danach lassen sich die Rollen einfach durch Anklicken hochnehmen und vereinzeln.

Die Profil-Spannungs-Analyse (PSA) ist die zweite Stufe des Qualitätssicherungs-Konzepts. Die Oberfläche des Blechbands wird in kleine Schalenelemente zerlegt und deren geometrische Verformung beim Durchlauf durch die Profiliermaschine berechnet. Daraus werden die Spannungen im gesamten Profil ermittelt und farbig dargestellt. Dies ist dann wichtig, wenn die höchsten Spannungen nicht an der Bandkante auftreten, etwa wenn umgefaltete Bandkanten hochgestellt werden.

Profil mit Schnittstelle zu FEM-System „Abaqus/Explicit“

Die dritte Stufe des Qualitäts-Konzepts schließlich ist die virtuelle Profiliermaschine. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) bietet die Möglichkeit, durch die Simulation des Walzprofilierprozesses im Rechner sehr genaue Informationen über die Spannungsverhältnisse im Profil während des Durchlaufs durch die Maschine und nach Verlassen der Maschine sowie über die auftretenden Formabweichungen zu erhalten. Dazu besitzt Profil eine Schnittstelle zum weit verbreiteten FEM-System „Abaqus/Explicit“.