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EFB-Forschungsbericht Nr. 408

Querkraftfreies Freiformbiegen von Rohren

efb408

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Benedikt Domes, Dipl.-Ing. Tobias Otto-Adamczak, Dipl.-Ing. Markus Werner, Dipl.-Ing. Katja Silbermann, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

104 Seiten (sw, 79 teils farbige Abb., 11 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-454-4

Preis (Digital) EUR 59,34

Preis (Print) EUR 72,00

Zusammenfassung

Im Projekt wurde das querkraftfreie Freiformbiegen auf dünnwandige Rohre mit Wanddicken bis zu drei Millimetern und Außendurchmesser bis zu 60 Millimeter erfolgreich angewendet.

Für die Realisierung des Verfahrens wurde die Versuchseinrichtung HexaBend des Fraunhofer IWU verwendet, welche eine Freiform-Schub-Biegeeinrichtung mit parallelkinematisch angesteuertem Biegetisch ist. Die Maschine ist dabei so umgebaut worden, dass zwei Einspannstellen zur Verfügung stehen, wobei eine ortsfest im Raum ist und die andere die notwendige Kinematik vollführen kann. Für die Rohrklemmung sind passende Rohraufnahmen beziehungsweise Spannwerkzeuge konstruiert und gefertigt worden.

Das Biegeverfahren konnte erfolgreich mittels FEM abgebildet werden. Zielgrößen waren hierbei die sich einstellende bezogene Unrundheit in Bezug auf den Querschnitt in der Rohrmitte sowie die sich einstellenden plastischen Schubdehnungen am Rohraußenumfang in der Rohrmitte. Die Bahnkurven selbst sind durch lineare Korrekturfaktoren sowie Änderungen des Bahnkurvendurchhangs manipuliert worden, um eine minimale Unrundheit zu erzielen. Um die plastischen Schubdehnungen zu reduzieren, erfolgte die Bahnkurvenmanipulation durch die Variation der Halbwellenanzahl der Bahnkurve, deren Kurvendurchhänge sowie der Amplitudenrichtung.

Das Versuchsspektrum sah Biegungen mit den Materialien LH®800, DC05 und 1.4404 vor. Auf Grund der großen Wanddicke und Festigkeit kamen hauptsächlich Rohre aus LH®800 mit einem Außendurchmesser von 60,0 Millimetern und drei Millimetern Wanddicke zur Anwendung. Als Versuchsgeometrie ist vorzugsweise ein Biegefaktor 6, was einem Biegeradius von 360 Millimetern entspricht, in Kombination mit einem Biegewinkel von 30° realisiert worden. Die sich insgesamt einstellende Unrundheit und Ovalisierung am Rohr konnte mit Hilfe der FEM erfolgreich reduziert werden, jedoch verbleibt eine Abweichung vom ideal kreisförmigen Querschnitt.

Die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit zeigt, dass mit dem querkraftfreien Freiformbiegen ein Biegeverfahren zur Verfügung steht, welches im direkten Vergleich zum Referenzbiegeverfahren Rotationszugbiegen eine kostengünstige Alternative für geringe Stückzahlen beziehungsweise Kleinstmengen darstellt. Auf Grund der Reduzierung der formspeichernden Werkzeuge lediglich auf die Einspannstellen, welche auch nur abhängig vom Rohraußendurchmesser sind, fallen unabhängig von Biegeradius und Biegewinkel nur sehr geringe Werkzeugkosten an.

Das IGF-Vorhaben „Querkraftfreies Freiformbiegen von Rohren“ wurde unter der Fördernummer AiF 17505BR 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 408 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

In the project the freeform bending process without shear forces was successfully applied on thin walled tubes with sheet thicknesses up to three millimeters and outer diameters up to 60 millimeters.

For the tests a freeform bending device called HexaBend was used at the Fraunhofer IWU. This machine is usually used for freeform push bending processes with parallel kinematic control. For the integration of the freeform tube bending process without shear forces two clamps were designed and manufactured. One clamp is fixed and the other one moves within the working space considering a double translation and a single rotation degree of freedom.

The process was successfully simulated using FEA. The aims were to reduce the ovality of the tube’s middle cross sections and to decrease the shear strain in the outer circumference of the tube. The bending path have been optimized with different methods – e. g. by a linear correction factor.

The materials used for the tubes were LH®800, DC05 and stainless steel 1.4404. Tubes of LH®800 have been used for the majority of the tests because of their beneficial high wall thickness and high strength. The most often bent geometry was a bending radius of 360 millimeters (bending factor 6) at an angle of 30 degrees. With the results of the FEA the bending path was optimized and the ovality reduced. However, a small oval deviation to the circular shape in the cross section of the bent tube has always been measured.

Regarding the economics, the freeform bending process without shear forces is a cost-effective alternative in comparison to the common rotary draw bending. Especially for very small series of single pieces costs can be saved because of the cheap tools. There are only two clamps needed for fixing the tube at its outer diameter and they are independent from the specific bending radii or angles.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Kurzzeichenverzeichnis
Zusammenfassung
1    Einleitung
2    Stand der Technik und Forschung
2.1    Einordnung von Biegeverfahren
2.2    Theoretische Betrachtungen zum Biegen von Rohren
2.3    Biegeverfahren im Detail
2.3.1    Rotationszugbiegen (Referenzverfahren)
2.3.2    Freiformbiegen (allgemein)
2.3.3    Freiform-Druckbiegen mit bewegten Matrizen
2.3.4    3-Rollen-Freiformbiegen
2.3.5    Endgesteuertes Freiformbiegen nach Lippmann
2.3.6    Querkraftfreies Freiformbiegen
2.4    Versuchsträger für Freiform-Biegeverfahren
3    Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1    Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2    Angestrebtes Forschungsziel
3.3    Arbeitsprogramm
4    Definition von Versuchsteilen und –programm
4.1    Festlegung von Biegegeometrien und Rohrmaterialien
4.2    Biegekinematik zum querkraftfreien Freiformbiegen
4.3    Überprüfung des Versuchsspektrum auf Durchführbarkeit
5    Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
6    Auslegung und Konstruktion der Betriebsmittel
6.1    Vergleich möglicher Einspannvorrichtungen
6.2    Auslegung der Spannvorrichtung
6.2.1    Randbedingungen
6.2.2    Ausführung auf Maschinenseite
6.2.3    Ausführung auf Tischseite
6.3    Konstruktion und Fertigung der Spannvorrichtung
7    Materialprüfung und Kennwertermittlung
7.1    Rohrberstversuche mit DC05
7.2    Einachsiger Zugversuch mit 1.4404
7.3    Fließkurve für LH®800
8    Simulation von Geometrien mit stehendem Fließbereich
8.1    Aufbau und Modellierung des Simulationsmodells
8.2    Variation der Bahnkurve unter Einfluss linearer Korrektur
8.3    Variation des Durchhangs der Bahnkurve
8.4    Simulation der plastischen Schubdehnung
8.5    Überführung der Bewegungsabläufe in NC-Code
9    Versuchsvorbereitung
9.1    Gefährdungsanalyse und Arbeitsschutz
9.2    Vorbereitung der Biegemaschine
9.3    Aufbau und Inbetriebnahme der Werkzeuge
9.4    Vorversuche
9.4.1    Leerfahrten
9.4.2    Vorbereitung der Versuchsteile
9.4.3    Vorversuche zum Biegen
9.4.4    Abschätzung der Bahngenauigkeit
10    Versuchsdurchführung und -auswertung
10.1    Vorgehensweise
10.2    Versuche zur linearen Bahnkorrektur
10.2.1    Durchführung
10.2.2    Ergebnisse
10.3    Versuche mit Innenabstützung
10.3.1    Versuche mit Sand: Durchführung
10.3.2    Versuche mit Sand: Ergebnisse
10.3.3    Versuche mit Wasser: Durchführung
10.3.4    Versuche mit Wasser: Ergebnisse
10.3.5    Vergleich der Stützmedien
10.4    Versuche zur Schubdehnungsoptimierung
10.5    Auswertung der Versuchsergebnisse
11    Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
11.1    Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
11.2    Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
11.3    Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
12    Literaturverzeichnis