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Blechbearbeitung

Blechprofile werden durch Gleitziehbiegen flexibel hergestellt

| Autor/ Redakteur: Bernd-Arno Behrens, Volker Ulbricht, Jürgen Rosenberger und Dietmar Süße / Annedore Munde

Blechprofile werden im Fahrzeug-, Flugzeug-, Schiffs- oder Anlagenbau eingesetzt. Neben dem Walzprofilieren gewinnen vor dem Hintergrund immer breiterer Produktpaletten und verstärkter Anforderungen im Prototypenbereich flexiblere Verfahren zur Herstellung von individuellen Profilen an Bedeutung. Das Gleitziehbiegen von U- und Hutprofilen ist Gegenstand aktueller Forschungen am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibnitz-Universität Hannover (IFUM) sowie am Institut für Festkörpermechanik (IFKM) der TU Dresden.

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Die Steuerung der Biegestufe während des Umformprozesses in Kombination mit einer variablen Ziehgeschwindigkeit ermöglicht somit die Herstellung von Profilen mit nahezu beliebiger Abfolge der Längskrümmungen.
Die Steuerung der Biegestufe während des Umformprozesses in Kombination mit einer variablen Ziehgeschwindigkeit ermöglicht somit die Herstellung von Profilen mit nahezu beliebiger Abfolge der Längskrümmungen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Gleitziehbiegen ist als Biegeumformverfahren mit geradliniger Werkzeugbewegung definiert. Es ermöglicht die Fertigung von überwiegend trägerförmigen Bauteilen mit über der Längsachse veränderlichen Querschnitten. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, in einem Umformprozess mit wenig aufwändigen Werkzeugen und einfacher Anlagentechnologie eine Vielzahl von unterschiedlichen Profilen herzustellen, beispielsweise U-Profile verschiedenster Abmessungen mit variablen Querschnitten sowie Hutprofile mit unterschiedlichen Flanschbreiten und eingebrachten Längskrümmungen.

Das Gleitziehbiegen nutzt Werkzeuge mit geringem Formgebundenheitsgrad und kann Tiefziehprozesse substituieren, bei denen bisher mit Hilfe von Werkzeugen mit hohem Formgebundenheitsgrad gearbeitet wird. Durch die Kombination des Werkstoffleichtbaus (Einsatz höherfester Materialien) und des Form- und Konzeptleichtbaus (variable, belastungs-angepasste Profile) mit dem flexiblen Verfahren Gleitziehbiegen können völlig neue Anwendungsgebiete des Leichtbaus erschlossen werden.

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Es lassen sich auf kostengünstige Weise Prototypen und Kleinserien herstellen. Die so hergestellten Profile sind entweder direkt als Bauteil einsetzbar, beispielsweise als Seitenver-stärkung bei Fahrzeugtüren, oder stellen Ausgangsteile für weitere Umformoperationen wie eine anschließende Innenhochdruckumformung dar [1].

Gleitziehbiegen – ein Verfahren mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten

Das zu profilierende Bandmaterial wird beim Gleitziehbiegen durch das Umformwerkzeug, welches aus Ober- und Unterwerkzeug besteht, geführt und auslaufseitig mit einem Zangenwagen oder einem kontinuierlichen Rollenantrieb gegriffen und gefördert. Während des Durchzugs des Bleches durch das Werkzeug wird das ebene Band zu einem Profil umgeformt.

Anstelle der formgebenden Walzen des Walzziehbiegens werden feststehende Werkzeuge benutzt, die in Anlehnung an Tiefziehprozesse als Stempel (Oberwerkzeug) und Matrize (Unterwerkzeug) bezeichnet werden (Bild 1). Das ebene Stahlband wird in Längsrichtung durch diese Werkzeugstufe hindurchgezogen und somit zu seiner letztendlichen Profilgestalt umgeformt.

Das Stahlband kann direkt vom Coil ablaufend, und somit kontinuierlich, oder als Einzelplatine in der Gleitziehbiegeanlage verarbeitet werden. Eine Richtstufe kann je nach Material und Blechdicke beim Arbeiten vom Coil erforderlich werden. Auch das Gleitziehbiegen von Tailored Blanks ist möglich. Dadurch wird eine spezielle Anpassung der Blechplatinen an die jeweilige Anforderung des später eingesetzten Profils erreicht. Die mit einer Längsnaht versehenen und damit aus zwei Platinenhälften bestehenden Bleche können unterschiedliche Blechdicken aufweisen. Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz von Tailored Blanks besteht in der Herstellung von Blechplatinen aus zwei Hälften unterschiedlicher Materialien.

Weiterhin wurden auch durch Quernähte verbundene Platinen gleicher Blechdicke umgeformt (Bild 2). Gefügt wurde dabei durch Elektronenstrahlschweißen. Denkbar wäre hier ebenso die Verbindung und anschließende Umformung von Blechen unterschiedlicher Blechdicke, wobei als Übergang der Blechdicken aufgrund der Werkzeugbelastung nur ein Übergang auf eine geringere Blechdicke sinnvoll erscheint. Durch diese Möglichkeiten wird die Bandbreite herstellbarer Profile nochmals deutlich erweitert. Die problemlose Umformung gut geschweißter Bleche ist für einen Bandwechsel interessant. Das neue Band kann an das Endstück des vorherigen Bandes angefügt und im kontinuierlichen Prozess ohne Unterbrechung und erneute Einarbeit profiliert werden.

Große Vielfalt der herstellbaren Profile spricht für das Gleitziehbiegen

Die große Vielfalt der herstellbaren Profile sowie die vorteilhaften Eigenschaften im Bezug auf die Bauteilrückfederung sprechen für das Verfahren Gleitziehbiegen. Zudem fallen nur geringe Kosten zum Umstellen auf ein neues Profil an [2].

Die Substitution einer oder mehrerer Walzstufen im Walzprofilierprozess durch ein Gleitziehbiegewerkzeug ist denkbar, wodurch auch dieser Fertigungsprozess an Flexibilität und Effizienz gewinnt.

Darüber hinaus ermöglicht das Gleitziehbiegen die Fertigung von Profilen, die bisher nur durch das Walzprofilieren herstellbar waren. Für kleinere Serien und im Prototypenbau verspricht dies eine erhebliche Reduzierung der Kosten für Werkzeuge und Anlagen [3].

Umformen von Hutprofilen in frei einstellbarer Länge

Neben der Möglichkeit des kontinuierlichen Antriebs wurde in der am IFUM neu installierten Gleitziehbiegeanlage auch ein Werkzeug zur Umformung von Hutprofilen entwickelt und umgesetzt. Der kontinuierliche Zug ermöglicht die Herstellung von Profilen nahezu beliebiger und frei einstellbarer Länge. Er sorgt weiterhin durch eine konstante Umformgeschwindigkeit für eine Stabilisierung des Umformprozesses gegenüber dem diskontinuierlichen Verfahren, welches aufgrund von Ein- und Auslaufbereichen des Profils und der damit verbundenen Einformprozesse zu einer Verringerung der Profilnutzlänge führt.

Werkzeuggeometrie durch Simulation weiter optimiert

Bei der Konstruktion des Hutwerkzeugs wurden mit Hilfe von CAD-Daten in Form von Einzelstichen aus dem Walzprofilierprozess von Hutprofilen die Schnitte zur Erstellung der Werkzeugflächen mit der CAD-Software CatiaV5 erzeugt. In einer Variante dienten sämtliche Stiche aus dem Walzprofilieren als Stützgeometrien zur Erstellung der Werkzeugwirkflächen, in einer anderen Variante nur der erste und letzte Stich.

Bei der erstgenannten Variante führen die vielen Stützgeometrien zu einer sehr ungleichmäßigen Fläche mit zahlreichen lokalen Krümmungswechseln. Die Simulation des Gleitziehbiegeprozesses mit der Methode der Finiten Elemente zur Unterstützung der Werkzeugkonstruktion hat in diesem Fall gezeigt, dass nur mit erheblicher Nachbearbeitung der Wirkflächen ein akzeptables Ergebnis der Flächen zu erwarten ist. Die zweite Variante wurde der ersten vorgezogen und dahingehend verfeinert, dass die erste Stützgeometrie am Anfang und die letzte Stützgeometrie am Ende der zu erzeugenden Werkzeugfläche in Werkzeuglängsrichtung dupliziert wurden. Dies gewährleistet bei der Verbindung der Schnitte zu einer Fläche einen ebenen Ein- und Auslauf (Bild 3).

Durch die Simulation des Umformprozesses mit den Systemen Auto-Form und Pam-Stamp, begleitend zur Konstruktion, wurde die Werkzeuggeometrie weiter optimiert. Dabei wurden die Varianten des diskontinuierlichen Zuges mit einem Zangenwagen, aber auch der kontinuierliche Zug mit Antriebswalzen simuliert. Grundlegend anders als bei den meisten Tiefziehprozessen gestaltet sich die Abbildung der Kinematik von Werkzeug und Werkstück in der Simulation des Gleitziehbiegeprozesses (Bild 4). Zunächst ist im realen Prozess die Bewegungsrichtung des Bleches nicht senkrecht zu den Werkzeughauptebenen sondern waagerecht. Des Weiteren bleiben die Werkzeuge während des gesamten Umformprozesses ortsfest.

Blech wird im vorderen Bereich zur Ziehangel geschnitten

Aufgrund der Simulationsergebnisse wurde das Oberwerkzeug im Bereich des Blecheinlaufs halbkugelförmig freigeschnitten, was die Ausbildung einer wannenförmigen Vorwölbung des Bleches zulässt. Dadurch wird das in den Simulationen und in vorherigen Versuchen beobachtete Knicken der Bleche (insbesondere bei dünneren Blechdicken) vor der Umformstufe und ein damit verbundenes Verklemmen im Ziehspalt unterbunden.

Dieser freie Einlauf im Werkzeug erfordert eine verlängerte seitliche Führung des Bandeinlaufs, da der Blecheinlauf unmittelbar am Werkzeug nicht selbstzentrierend ist. Beim Bandwechsel oder bei der Verwendung von Einzelzuschnitten wird das Blech im vorderen Bereich zu einer Ziehangel zugeschnitten. Diese hat beim kontinuierlichen Prozess mindestens die Länge, welche die zweite Antriebsstufe vom Werkzeugeinlauf entfernt ist. Sobald beide Walzen greifen, beginnt die Ausformung des Profils in der Gleitziehbiegestufe (Bild 5).

Seitliche Führung im Prozess stabilisiert

Mit Beginn des Profileinlaufs in die Antriebseinheiten stabilisiert sich der Prozess hinsichtlich der seitlichen Führung. Für die Optimierung der Anfangsziehangel wurde wiederum die nummerische Simulation genutzt. Die auf diese Weise optimierte Ziehangel weist anstatt eines geraden Übergangs von der Zunge auf die Profilbreite einen gerundeten und relativ kurzen Übergang auf (Bild 6). Die Ziehangel für die Platinen im diskontinuierlichen Zug von U-Profilen ist einfacher gestaltet.

Im Anschluss an die Umformstufe zum Hutprofil folgt in der neuen Anlage die in den Antrieb integrierte Biegeeinheit. Diese ermöglicht über das Prinzip des Dreipunktbiegens die Einbringung variabler Längskrümmungen in das Profil. Dabei werden Radien von R = 3000 mm bis über 25 000 mm realisiert. Die Steuerung der Biegestufe während des Umform-prozesses in Kombination mit einer variablen Ziehgeschwindigkeit ermöglicht somit die Herstellung von Profilen mit nahezu beliebiger Abfolge der Längskrümmungen.

Variable Antriebseinheiten für verschiedene Blechdicken

Angetrieben werden die beiden Walzen für den Blechzug jeweils durch einen Drehstromgetriebemotor. Es handelt sich dabei um einen Kegelstirnradgetriebemotor mit einer Leistung von 3,0 kW und einer gro-ßen Übersetzung (186,57). Diese wird benötigt, um ein entsprechend großes Moment für den Antrieb zur Verfügung zu stellen. Die resultierende Drehzahl ermöglicht den Zug eines 2 m langen Profils in bis zu 20 s (DX54 mit Blechdicke s0 = 1,2 mm). Die Verwendung festerer Werkstoffe sowie das Gleitziehbiegen größerer Blechdicken wirken sich verlängernd auf die Prozesszeit aus. Mit steigender Blechdicke nimmt die Neigung zur Faltenbildung ab.

Angesteuert werden die Motoren durch Frequenzumrichter, die über eine Datenleitung mit dem Signal vom PC angesprochen werden. Das Steuersignal wird zunächst über ein Busmodul übertragen und im ersten Frequenzumrichter verarbeitet. Die resultierende Umrichtung wird analog an den zweiten Umrichter weitergegeben, um den Motoren identische Drehzahlen vorzugeben. Um die benötigte Walzkraft aufzubringen, werden die im Obergestell gelagerten Gegenwalzenpaare mit dem gesamten Obergestell hydraulisch nach unten gezogen und mit Kräften von bis zu 200 kN verspannt.

Bei leichter umzuformenden Stählen und geringen Blechdicken kann die zweite Antriebseinheit ausgeschaltet werden, da mit einer Antriebsstufe genügend Kraft aufgebracht wird (Bild 7). Mit Blechdicken im Bereich von s0 = 0,8 mm bis s0 = 1,6 mm bei verzinktem Blech der Güte DX53 wurde dies in Versuchen am IFUM durchgeführt.

Die Bleche werden im Bereich vor dem Einzug in die Umformstufe mit den Schmierstoffen CLF 250 oder CLF WA03 von Raziol benetzt. Die kontinuierliche Versorgung mit Schmierstoff entsprechend dem Prinzip der Minimalmengenschmierung ist in Form einer Druckluft-Sprühbefettungsanlage an beide Anlagen am IFUM adaptierbar.

Literatur

[1] Mütze, Dr.-Ing. S.: Gleitziehbiegen von Profilen aus Feinblech, Dissertation, IFUM Leibniz-Universität Hannover, 2006

[2] Hofner, K. H.: Verfahren der Umformtechnik, VEB Verlag Technik, 1969

[3] Doege, Prof. Dr.-Ing. E.: Untersuchungen zur Herstellung von Leichtbauträgerstrukturen aus tailored blanks mittels Gleitziehbiegen, Abschlussbericht zum gleichnamigen EFB-Forschungsvorhaben, 2003

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens ist Leiter des Instituts für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz-Universität Hannover; Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht ist Inhaber der Professur für nichtlineare Festkörpermechanik am Institut für Festkörpermechanik (IFKM) der TU Dresden; Dipl.-Ing. Jürgen Rosenberger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFUM Hannover in der Abteilung Blechumformung, Tel. (0511) 7623813, rosenberger@ifum.uni-hannover.de; Dr.-Ing. Dietmar Süße ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFKM Dresden, Tel. (0351) 46336268, suesse@mfk.mw.tu-dresden.de

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