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EFB-Forschungsbericht Nr. 378

Erweiterung der Prozessfähigkeit des Rotationszugbiegens durch ein alternatives Faltenglätterkonzept

efb378

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel, Dipl.-Ing. Christian Mathes, Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen

132 Seiten (sw, 72 teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-421-6

Preis (Digital) EUR 58,23

Preis (Print) EUR 72,62

Zusammenfassung

Ein wichtiges und weit verbreitetes Fertigungsverfahren zur Umformung von offenen und geschlossenen Profilen ist das Rotationszugbiegen. Gerade dünnwandige Profile werden bei der Umformung sehr gut gestützt und damit bleibt die Querschnittskontur des Profils erhalten.

Ein wichtiges Werkzeugelement für anspruchsvollere Biegungen mit dünnen Wanddicken und kleinen Biegeradien ist der Faltenglätter [SAE, 2004]. Dieser ist ein passives Werkzeug, das während der Umformung die Rohrkontur im Zusammenspiel mit dem im Rohr befindlichen Biegedorn und dem gegenüber positionierten Gegenhalter vor der Übergangsebene stützt.

Die erforderlichen Stützkräfte sind Reaktionskräfte, die durch die Querkraft des Gegenhalters eingeleitet und über das Rohr und den Biegedorn hindurch auf den Faltenglätter übertragen werden. Durch das Stützen der Kontur soll die Faltenbildung vermieden werden, die aufgrund der Druckspannung in Längsrichtung am Innenbogen entstehen kann.

Die höchsten Druckspannungen liegen im Bereich der Übergangsebene vor, der den Übergang vom geraden Rohr zum Biegeradius darstellt. Ist der Faltenglätter unzureichend positioniert, entstehen Falten vor der Übergangsebene. Diese Zone der Faltenentstehung wurde als primäre Faltenbildung definiert. Entstehen die Falten erst nach der Übergangsebene, so handelt es sich um sekundäre Faltenbildung.

Ziele des Forschungsvorhabens waren, die wesentlichen Parameter für die Funktionsweise des Faltenglätters zu ermitteln und die leicht zu verschleißende Kontur möglichst zu vereinfachen. Hierzu wurden umfangreiche FE-Simulationen und praktische Versuche durchgeführt. In einer praktischen Untersuchung an der Biegemaschine des Lehrstuhls zur Genauigkeit der Einrichtung ohne Messtechnik wurde festgestellt, dass bei der ersten Positionierung des Faltenglätters ohne Probebiegungen Toleranzen von bis zu 0,7 mm in Querrichtung und bis zu 4,4 mm in Längsrichtung vorlagen. Um die Auswirkung dieser Ungenauigkeiten zu untersuchen, wurden umfangreiche FE-Simulationen mit unterschiedlichen Quer- und Längsabständen sowie Anstellwinkeln untersucht. Anschließend wurden die berechneten geometrischen Abweichungen mit einem im Forschungsprojekt entwickelten Bewertungsfaktor erfasst.

Die deutlichsten Auswirkungen auf geometrische Abweichungen liegen bei Querabständen vor. Wird ein Längsabstand zwischen der Spitze des Faltenglätters und der Übergangsebene eingestellt, die einem Kürzen der dünn auslaufenden Spitze entspricht, so haben kleine Abstände nahezu keine Auswirkungen auf die geometrischen Abweichungen und den ermittelten Bewertungsfaktor. Ein kleiner Anstellwinkel reduziert die aufs Rohr übertrage Reibkraft, allerdings wächst mit zunehmendem Winkel und Abstand zur Übergangsebene auch der Querabstand.

Um im Biegeprozess mit minimalen Gegenhalter-Querkräften zu arbeiten, ist eine exakte Querausrichtung des Faltenglätters wichtig. Durch Erhöhen der Gegenhalter-Querkraft bzw. ein näher am Rohr positionierter Gegenhalter, können kleine Querabstände durch elastische Verformung kompensiert werden. Bei steigender Gegenhalter-Querkraft nehmen die Belastung und damit der Verschleiß auf den Faltenglätter zu.

Gleichzeitig steigt durch die höhere Querkraft die Reibkraft auf den Rohrvorschub und das Rohr wird leichter aus der Klemmung gezogen. Die Anlagefläche des Faltenglätters zur Biegeform muss sich in selbiger gut abstützen. Entsteht durch eine fehlerhafte Längspositionierung ein Spalt dazwischen, so verlagert sich der Faltenglätter unter Prozesslast in Querrichtung. Die dünn auslaufende Spitze des Faltenglätters muss nicht bis zur Übergangsebene reichen. Daher kann diese durchaus verschleißen bzw. müsste nicht derart dünn auslaufend gefertigt werden. Hierdurch sinkt die Komplexität der Geometrie des Faltenglätters und die Standzeit sollte sich deutlich verlängern lassen.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Prozessfähigkeit des Rotationszugbiegens durch ein alternatives Faltenglätterkonzept“ wurde unter der Fördernummer AiF 16447N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 378 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhaltsverzeichnis


Zusammenfassung     
1     Einleitung
2     Stand der Technik
2.1     Biegeumformung und Rotationszugbiegen
2.2     Aufbau der Biegewerkzeuge und Biegeprozess
2.3     Herstellung von Faltenglättern
2.4     Verfahrensgrenzen und Fertigungsfehler
2.5     Simulation des Rotationszugbiegens mit FEM
3     Zielsetzung und Lösungsweg
4     Ermittlung von Kräften und Positionen beim Rotationszugbiegen
4.1     Prozessdatenerfassung der verwendeten Biegemaschine
4.2     Zusätzliche Sensorik zur Erfassung von Prozessdaten
4.3     Positioniergenauigkeit und Wiederholpräzision der Versuchsmaschine
4.4     Verwendete Halbzeuge
4.5     Biegeversuche zur Prozessparameterermittlung
5     Theoretische Untersuchung zur Funktionsweise des Faltenglätters
5.1     FE-Simulationen und Simulationsmodell
5.2     Prozesseinfluss durch den Reibbeiwert des Faltenglätters und durch eingestellte Prozesskräften
5.3     Rotationszugbiegen mit reduziertem Werkzeugsatz
5.4     Untersuchung zur erforderlichen Stützkontur des Faltenglätters
5.5     Einfluss der Verlagerung des Faltenglätters auf geometrische Abweichungen am Innenbogen
5.6     Entwickeln eines Bewertungsfaktors zur Quantifizierung geometrischer Abweichungen
5.7     Sensitivitätsanalyse zur Findung eines Bewertungsfaktors
5.8     Geometrischen Abweichung durch Querverlagerung des Faltenglätter
5.9     Geometrischen Abweichung durch Längsverlagerung des Faltenglätters
5.10     Geometrischen Abweichung durch den Anstellwinkel des Faltenglätters
5.11     Einfluss durch geometrische Abweichungen auf die Faltenglätterbelastung
6     Erweiterung der Versuchs- und Messeinrichtung
7     Praktische Untersuchungen
7.1     Versuchsplanung
7.2     Untersuchungen zu variierenden Prozesskräften
7.3     Stützkraft durch den Gegenhalter für die Funktion des Faltenglätters
8     Konzept zur Verhinderung von Falten mittels Faltenglätter
9     Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
10     Ergebnisse
11     Literaturverzeichnis
12     Evaluation des Forschungsvorhabens
12.1     Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
12.2     Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse in KMU
12.3     Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
12.4     Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der F&E-Ergebnisse nach Projektende