Umformtechnik Qualität sichern beim Tiefziehen

Im Bereich der Blechumformung zählt das Tiefziehen zu den wichtigsten Herstellungsverfahren von Hohlkörpern. Als Umformmaschinen werden mechanisch oder hydraulisch angetriebene Pressen verwendet. Trotz optimierter Fertigung treten beim Tiefziehen jedoch immer wieder Überbelastungen der Maschinen und Ziehfehler an den Teilen auf. Ein Weg, dies zu vermeiden, ist die Prozessüberwachung.

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MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung

Brankamp GmbH

Tiefziehen besitzt für die Massenfertigung von Produkten der Automobil-, Verpackungs- und Hausgeräteindustrie eine zentrale Bedeutung. Das Spektrum der produzierten Tiefziehteile reicht dabei von Werkstücken mit Abmessungen von wenigen Millimetern, wie beispielsweise Kontaktklappen von Sicherungen, bis zu Ziehteilen im Bereich des Automobilbaus, deren Abmessungen mehrere Meter betragen können. Die oft mehrstufigen Ziehoperationen werden auf Stufenpressen, Pressenstraßen oder Großteilstufenpressen realisiert.

Maschineneinflüsse, Werkzeuggeometrien, Blechkennwerte und Verfahrensparameter werden bei der Entwicklung und Einstellung der Umformmaschinen berücksichtigt. Trotzdem treten beim Tiefziehen verschiedene typische Prozessfehler sowie Ziehfehler an den Teilen auf.

Viele Maschinenbelastungen entstehen nur durch gravierende Prozessstörungen. Hierzu zählen unzulässige Doppelladungen oder Teilschnitte, die zu fehlerhaften Transferoperationen führen, oder fehlerhafte Werkzeugabstimmungen.

Diese Überlastungen führen an hoch belasteten Pressenbauteilen im Laufe der Zeit zu Rissbildungen und eventuell auch zum Bruch bestimmter Teile, beispielsweise des Pressenkopfstücks, der Kurbelwelle oder der Pleuel.

Hydraulische Überlastsicherungen schützen Tiefzieh-Pressen

Durch den Ersatz von hydraulischen Überlastsicherungen ist es möglich, Maschinenüberlastungen im Pressprozess zu vermeiden. Eine Absicherung der Ziehwerkzeuge beziehungsweise einzelner Ziehstufen ist jedoch mit einer hydraulischen Überlastsicherung nicht möglich, da der maximale Kraftbedarf vieler Werkzeuge deutlich unterhalb der Pressennennkraft liegt.

Kommt es zu lokalen Überlastungen, zum Beispiel in einzelnen Werkzeugstufen, können schwerwiegende Beschädigungen des Werkzeugs und eventuell Folgefehler auftreten, die dann zur Ausschussproduktion, zum Pressenstillstand, zu Reparaturkosten der Werkzeuge und letztendlich zu einem Produktivitätsrückgang führen.

Lokale Überlastung bei Tiefziehen beschädigt Tiefzieh-Werkzeuge und umgeformte Teile

Neben den Beschädigungen der Ziehwerkzeuge treten mitunter auch typische Ziehfehler am umgeformten Teil auf. Eine Analyse von Qualitätsmängeln an Ziehteilen zeigt, dass Einschnürungen und Risse sowie Falten die häufigsten Versagensarten darstellen.

Fehler im Ziehteil führen im Gegensatz zu Prozessstörungen nicht zu Beschädigungen des Werkzeugs oder der Maschine. Somit liegt eine zweite Klasse von Prozessstörungen vor, die lediglich zur Ausschussproduktion und damit zu Qualitätsmängeln führt.

Prozessüberwachung sichert Qualität beim Tiefziehen

Für Ziehereien und Blech verarbeitende Betriebe sind Prozessüberwachungssysteme ein wirksames Hilfsmittel für die Qualitätssicherung. Der Bediener erhält kontinuierlich Informationen über den Prozess und auftretende Störungen.

Prozessstörungen werden so frühzeitig erkannt und ein zeitnaher Einfluss auf die Prozessführung ist gegeben. Durch die Erfassung der Maschinen- und Betriebsdaten ist weiterhin eine zielgerichtete Schwachstellenanalyse und somit verbesserte Prozessführung möglich.

„Prozessüberwachungssysteme erfassen fertigungsbegleitend geeignete, genau festgelegte Prozesssignale, beispielsweise die Press-, Zieh- oder Blechhalterkraft. Liegen die Signale innerhalb vorgegebener Grenzen, wird der Prozess als fehlerfrei klassifiziert. Kommt es zu Überschreitungen, werden Warnmeldungen, Sortierweichen oder ein Stopp der Presse ausgelöst“, sagt Dr. Thomas Terzyk. Er ist Geschäftsführer der in Hannover ansässigen Prokos GmbH, einem Unternehmens der Brankamp-Gruppe.

Fehler erkennen, bevor sie entstehen

Mit derzeit 65 Mitarbeiten und einem Jahresumsatz von etwa 10 Mio. Euro hat sich das Unternehmen seit der Gründung vor 30 Jahren eine stabile Marktstellung in den Bereichen industrielle Prozessüberüberwachung und Qualitätssicherung erworben. Auch für die Hersteller und Anwender von Umformmaschinen bietet Brankamp verschiedene Lösungen. Auch Werkzeugüberlastungen bei Tiefziehanwendungen lassen sich durch die Definition und Überwachung charakteristischer Größen erkennen.

„Als prozessbeschreibende Größe wird die Presskraft in Umformrichtung erfasst. Zur Überlasterkennung werden hierfür Kraftsensoren standardmäßig maschinenfest installiert“, sagt Terzyk. In Abhängigkeit vom Pressentyp werden folgende Lösungsmöglichkeiten eingesetzt: Die Kraftmessung am Pressengestell oder am Pleuel.

Die Sensorpositionierung am Pleuel führt zu einer verbesserten Erkennungsfähigkeit von Werkzeugüberlastungen und deren Ursachen. Eine Druckmessung ist in der hydraulischen Überlastsicherung oder im Ziehapparat möglich.

„Bei Stufen- und Großteilstufenpressen sollten zur detaillierten Werkzeugüberwachung geeignete Kraftsensoren maschinenfest an jeder Stufe installiert werden. Dies bietet zusätzlich zur Erkennung von Werkzeugüberlastungen eine leistungsfähige Einrichthilfe beim Wiederanlauf der Produktion. Der hohe Informationsgehalt stufenbezogener Kraftsignale ermöglicht neben der Überlastsicherung der Werkzeuge auch eine prozessbegleitende Qualitätskontrolle produzierter Ziehteile“, erläutert Terzyk weiter.

Tiefziehprozesse in der Blechbearbeitung überwachen

Die Qualität von Tiefziehteilen wird durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt, die auf den Ziehprozess einwirken. Typische Ziehfehler wie Einschnürungen, Risse oder Faltenbildung treten üblicherweise in bestimmten kritischen Bereichen des Werkzeugs auf. Diese Prozessfehler beeinflussen die gesamte Ziehkraft nur geringfügig.

Speziell bei großflächigen Ziehwerkzeugen ist eine Installation von Kraftsensoren am Ziehwerkzeug im Bereich kritischer Werkzeugzonen jedoch vorteilhaft. Durch eine werkzeugbezogene Sensorintegration in der Nähe der bekannten Fehlerorte wird der fehlerbedingte Signalanteil erhöht und damit eine Steigerung der Überwachungsgenauigkeit erreicht. Bei einer maschinenfesten Kraftsensorik ist eine Absolutkraftmessung von Überlastungen notwendig.

Preiswerte piezoelektrische Kraftsensoren überwachen Tiefzieh-Prozess

Um die Kosten für eine werkzeugbezogene Sensorik möglichst zu begrenzen, wurden bei Brankamp neue, preiswerte piezoelektrische Kraftsensoren entwickelt. Die Piezosensoren unterschiedlicher Messflächen können ohne großen Installationsaufwand in die Werkzeughinterlage geklebt werden, um so lokale Veränderung zu erfassen.

Neben der geeigneten Auswahl der Messorte und Sensoren kommt der leistungsfähigen Auswertung gemessener Kraftsignale eine wesentliche Bedeutung zu. Zum Einsatz in der Blechverarbeitung und speziell beim Tiefziehen wurde die Geräteserie PK 6000 entwickelt.

Auf dem LC-Display werden bis zu acht Prozesssignale dargestellt, zum Beispiel vier Pleuelsignale und vier Ziehkräfte. Diese kann der Bediener als leistungsfähige Einrichthilfe nutzen.

Einfache Bedienung sowie eine umfassende Unterstützung bei der Fehlersuche durch grafische Anzeige des Fehlerortes sind weitere Leistungsmerkmale des Gerätes. Über eine Modem-Schnittstelle ist die direkte Verbindung zum Gerätehersteller möglich, so dass ein sofortiger Online-Support bei speziellen Überwachungsaufgaben, Bedienerschulung und Service möglich ist.

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