TU München Produktivitätssteigerung in Folgeverbundwerkzeugen

Autor / Redakteur: Martin Feistle / M.A. Frauke Finus

Die Normalie „Keks“ (kompakte Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung) ermöglicht die freie Wahl der Umformgeschwindigkeit der einzelnen Fertigungsoperationen im Folgeverbund. Der Kompromiss zwischen Werkzeugbelastung und reduzierter Bauteilqualität bei erhöhter Ausbringung ist gelöst.

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Einfluss der Umformgeschwindigkeit auf die Güte der Prägung.
Einfluss der Umformgeschwindigkeit auf die Güte der Prägung.
(Bild: TU München)

Bei der Fertigung von Blechbauteilen sind oftmals mehrere, aufeinanderfolgende Fertigungsverfahren wie Prägen, Scherschneiden oder Biegen vonnöten. Der Einsatz von Verbundwerkzeugen erlaubt es, unterschiedliche Verfahren in einem Werkzeugverbund zu integrieren und somit kostenintensive Prozessschritte einzusparen. Dabei wird der gesamte Prozess in seiner Ausbringungsrate und die Qualität der Bauteile durch das langsamste Einzelverfahren bestimmt. Ziel muss es daher sein in Abhängigkeit der Verfahren eine optimale Prozessgeschwindigkeit zu erreichen, um Bauteile mit hoher Funktionsintegration und Güte, zukünftig in einem Hochlohnland wie Deutschland, wirtschaftlich produzieren zu können.

Die Möglichkeiten, die Prozessgeschwindigkeit einer Fertigungsoperation anzupassen werden durch die Konstruktionsart der umformenden Werkzeugmaschine bestimmt. Sind dabei Werkzeugaktivelemente über Werkzeugplatten fest mit dem Pressenstößel verbunden, weisen diese dasselbe Geschwindigkeitsprofil wie der Stößel auf. Wird beispielsweise die Auftreffgeschwindigkeit des Hohlgesenks beim Prägen variiert ist nach anschließender Digitalisierung der Oberflächen ein deutlicher Unterschied im Höhenprofil der Bauteiloberfläche von mehreren hundertstel Millimeter, zu erkennen.

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Erhebliche Qualitätssteigerung der Umformung

Geringfügige Geschwindigkeitsanpassungen können durch eine Längenabstufung der Aktivelemente erreicht werden. Wird jedoch die Normalie „Keks“, ein hydraulischer Weg-Geschwindigkeits-Übersetzer, welcher im Rahmen eines Forschungsprojekts am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München entwickelt wurde, in den Werkzeugverbund integriert, kann dieser die Geschwindigkeit einzelner Aktivelemente gezielt an die verfahrensspezifische Prozessgeschwindigkeit anpassen.

Durch die Integration der Normalie in den Niederhalter des Folgeverbundwerkzeugs kann durch das wirkende Übersetzungsverhältnis, zwischen Antrieb- und Abtriebskolben, die Arbeitsgeschwindigkeit- von der Stößelgeschwindigkeit entkoppelt werden. Durch eine angepasste Prozessgeschwindigkeit je Fertigungsoperation kann entweder die Ausbringungsrate bei Stanzprozessen in Verbundwerkzeugen erheblich gesteigert oder alternativ eine verbesserte Güte der Umformung bei gleichbleibender Hubzahl erzielt werden. Das Übersetzungsverhältnis kann durch eine Anpassung der beiden Kolbendurchmesser beziehungsweise dem Flächenverhältnis bei konstanten Gehäuseabmaßen derzeit zwischen 1,0:1,0 und 1,0:2,5 variiert werden. Die Bewegungs- und Kraftübertragung erfolgt durch das eingeschlossene Fluid zwischen Gehäuse, Antriebs- und Abtriebskolben.

Die derzeitige Auslegung des Übersetzers ermöglicht bei einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Bauhöhe 38 mm eine Geschwindigkeitsreduzierung um bis zu 60 %, wodurch eine erhebliche Qualitätssteigerung der Umformung beziehungsweise die angesprochene Ausbringungserhöhung von mehreren zehn Prozent, bei gleichbleibender Güte zur Referenz, erreicht wird. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung von Prägebuchstaben durchgeführt.

Verbessertes Fließverhalten dehnratenabhängiger Werkstoffe

Die Referenz stellt die Prägetiefe bei einer Hubzahl 100 Hub/min dar. Bei dieser Hubzahl wurde das zweispurige Versuchswerkzeug unter Verwendung einer Servo-Hub-Presse SHP 400 der Nidec SYS GmbH eingearbeitet. Die Referenzumformung, durchgeführt mit einem herkömmlichen Werkzeugaufbau, wurde auf einer Spur des Werkzeugs generiert, auf der zweiten Spur wurde die Normalie „Keks“, mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:2,0, in den Niederhalter integriert. Im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchungen wurde die Prägegeometrie „X“ herangezogen. Es ist bei einer Umformung ohne Weg-Geschwindigkeit-Übersetzer eine Abnahme der Prägetiefe mit Zunahme der Hubzahl ersichtlich. Durch die erhöhte Prozessgeschwindigkeit und der Werkstoffdehnratenabhängigkeit wird der Werkstoff in seinem Fließverhalten gehemmt und folglich die Prägegüte reduziert. Durch die deutlich reduzierte Umformgeschwindigkeit in Kombination mit der verlängerten Werkzeug-Werkstück-Kontaktzeit zeigen Prägungen unter Anwendung der Normalie einen erhöhten Detailgrat auf. Bei einer Hubzahl von 200 Hub/min erhöht sich die Prägetiefe um ~5 µm gegenüber der Referenzprägung.

Die Auslegung der Normalie erfolgte simulativ für eine Prozesskraft von 18 kN, in Dauerhubversuchen wurden Standzeiten von mehr als 600.000 Hub erzielt. Gefördert wird das Forschungsvorhaben mit der IGF-Nr. 19634N durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“.

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