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Umformtechnik

Kegelförmige Bauteile lassen sich flexibel schwenkbiegen

| Autor/ Redakteur: Wolfram Hochstrate, Bernd Engel, Peter Frohn et al. / Stéphane Itasse

Schwenkbiegen Kegelförmige Blechschalen finden breite Anwendung, sind aber oft nur in geringen Stückzahlen gefragt. Um die dafür notwendige Flexibilität beim Umformen zu erreichen, hat ein Forschungsvorhaben der Universität Siegen erstmals definierte konische Blechschalen durch Schwenkbiegen gefertigt.

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Bild 1: Vollhydraulische, automatisierte Schwenkbiegemaschine vom Typ SBM3000X6 der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien.
Bild 1: Vollhydraulische, automatisierte Schwenkbiegemaschine vom Typ SBM3000X6 der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien.
(Bild: Joerg Fruck)
  • Für die Produktion von Blechkegeln sind Verfahren wie Tiefziehen, Projizierstreckdrücken oder Walzrunden angesichts der kleinen Losgrößen in der Praxis zu unflexibel.
  • Ein Forschungsprojekt erarbeitet erstmals ein Prozessmodell zum Schwenkbiegen definierter Kegel, das versuchs- und materialintensive Tryouts erspart.
  • Der Blechzuschnitt entspricht einem Kegelmantel und wird mit einer eigens entwickelten Vorschubkinematik zugeführt.
  • Die notwendige Schrägstellung der Schwenkbiegewerkzeuge liegt im Bereich weniger Grad.

Konische Blechbauteile können mit verschiedenen Metallumformverfahren hergestellt werden. Tiefziehen und Projizierstreckdrücken bieten eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei vergleichsweise einfacher Prozessführung, da die herzustellende Geometrie bereits in Form einer Matrize vorgehalten wird. Diese gestaltgebundenen Verfahren sind gegenüber variablen Kegelgeometrien jedoch unflexibel, da für unterschiedliche Kegel je ein anderer Werkzeugsatz benötigt wird. Mittels Walzbiegen auf Dreiwalzen-Rundmaschinen können konische Blechbauteile flexibel über die Verfahrensparameter hergestellt werden [1]. Die Radien sind jedoch in ihrem Mindestmaß an den Durchmesser der Biegewalze gebunden.

Schwenkbiegen ermöglicht weitere Bauteilmerkmale ohne Werkzeugwechsel

Das Schwenkbiegeverfahren kann mit einer sequenziellen Betriebsweise, zur hochflexiblen Fertigung von Blechkegeln eingesetzt werden. Dadurch eröffnet sich auch die Möglichkeit, die konisch gebogenen Konturen auf der eingesetzten Schwenkbiegemaschine (Bild 1) mit weiteren geometrischen Bauteilmerkmalen, wie etwa scharfen Biegekanten und Falzen, zu versehen, ohne dass ein Werkzeugwechsel nötig ist.

Da der Einsatz formgebundener Werkzeuge nicht erforderlich ist, kann das Schwenkbiegen zur Herstellung geometrisch variabler Kegel flexibel angewandt werden. Diese Fertigungsflexibilität wird im Allgemeinen entsprechend VDI 3430 den kinematischen Umformverfahren zugeschrieben [2], [3]. Nach DIN 8586 erfolgt beim Schwenkbiegen die Gestalterzeugung im Wesentlichen durch eine drehende Werkzeugbewegung.

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Im Gegensatz zum Walzrunden, siehe [4], existieren für das Schwenkbiegen bisher keine Prozessmodelle, mit denen die erforderlichen Prozessparameter für definierte Kegel ausgelegt werden können. Das Schwenkbiegen von konischen Blechschalen ist bisher anhand einer sehr versuchs- und materialintensiven Fertigung im Tryout-Betrieb erfolgt, in der die Maschinenbedienererfahrung einen zentralen Stellenwert einnahm. Die geometrisch-umformtechnische Ableitung der relevanten sequenziellen Parameter der sich abwechselnden Biege- und Vorschubschritte war bis dato nicht möglich. Der Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen entwickelt in einem Verbundprojekt mit dem Unternehmen Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien GmbH ein kinematisches Prozessmodell zum Schwenkbiegen geometrisch bestimmter Kegel.

Prozessmodell für das Schwenkbiegen von Kegeln

In einem sequenziellen Verfahrensablauf lassen sich neben konventionellen Abkantungen auf der Schwenkbiegemaschine auch Zylinder- und Kegelschalen herstellen. Bei einem Kegelstumpf sind die Radien vom Grund- und Deckkreis im Zusammenhang mit der Höhe sowie dem Öffnungswinkel die entscheidenden geometrischen Faktoren. Zunächst wird die kreisförmige Kontur des Kegels auf eine Vieleckform mit abgerundeten Kanten zurückgeführt, die sich infolge der gewählten Anzahl der Biegeschritte ergibt.

Aufgrund der kreisförmigen Abwicklungen konischer Bauteile resultiert eine zirkuläre Maschinenkinematik beim Schwenkbiegen konischer Blechteile: Dabei wird der Maschine ein dem Kegelmantel entsprechender Blechzuschnitt mit einer eigens entwickelten Vorschubkinematik zugeführt (Bild 2). Im Gegensatz zu der konventionellen Linearbewegung der Vorschubeinheiten von Schwenkbiegemaschinen wird das Blechhalbzeug auf einer Kreisbahn zugestellt. Zudem ist die Schrägstellung der Schwenkbiegewerkzeuge ein wesentlicher Bestandteil der Prozessführung, da über die Maschinenbreite ein Radienverlauf von klein nach groß entsprechend dem oberen beziehungsweise unteren Kegeldurchmesser erzeugt werden muss. Die notwendigen Schrägstellungen liegen im Bereich weniger Grad beziehungsweise Millimeter, über die Maschinenbreite betrachtet. Abhängig vom Schwenkbiegemaschinen-Typ können die Schrägstellungen beispielsweise mittels einer unterschiedlichen Distanzierung erfolgen.

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