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EFB-Forschungsbericht Nr. 538

Reduzierung der Schallemission beim Schneiden höher- und höchstfester Blechwerkstoffe

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Richard Krimm, M. Sc. Dietmar Friesen, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

96 Seiten (sw, 57 teils farbige Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-594-7

Preis (Digital) EUR 56,00

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

IIn vielen Bereichen des Maschinenbaus und der Konsumgüterproduktion werden zunehmend innovative Werkstoffe mit hohen Festigkeiten eingesetzt. Insbesondere beim Scherschneiden entsprechender Blechwerkstoffe treten hohe Schallemissionen auf, da hierbei vergleichsweise hohe Schneidkräfte aufgebracht werden müssen.

Nach der Materialtrennung kommt es zur schlagartigen Freisetzung der im System im Zuge der Maschinenauffederung bis zum Erreichen der jeweils erforderlichen Schneidkraft gespeicherten Energie. Hohe Amplituden und breite Frequenzspektren in der Anregung sind die Folge. Entsprechend werden die Pressenkomponenten zum Schwingen angeregt und Schallwellen an die Umgebung abgegeben.

Der entstehende Lärm kann zu gesundheitlichen Langzeitschäden sowie zur Reduktion der Konzentrationsfähigkeit beim Maschinenbedienpersonal führen, weshalb eine gesetzliche Dauerlärmgrenze während des Maschinenbetriebs einzuhalten ist. Ferner ist die Geräuschentwicklung mit einer Verringerung der Produktivität verbunden, weil aus Lärmschutzgründen häufig die Produktionszeiten eingeschränkt sind.

Schallschutzkabinen sind in der Regel mit hohen Kosten verbunden, erhöhen den Platzbedarf und beschränken die Zugänglichkeit. Aktive sekundäre Lösungsansätze wie Schnittschlagdämpfer sind wiederum teuer sowie wartungsintensiv und eignen sich nicht für Anwendungen an Schnellläuferpressen mit hohen Hubzahlen.

Angesichts der neu entstehenden Herausforderungen bei der Verarbeitung von innovativen Blechwerkstoffen müssen die hierfür eingesetzten Umformmaschinen entsprechend neu- bzw. weiterentwickelt werden, um neben den genannten Gründen weiterhin die Wettbewerbsfähigkeit der Maschinenhersteller und -anwender zu gewährleisten.

Im Rahmen dieses Vorhabens wird eine Vorgehensweise zur experimentellen Erfassung und Analyse von Schallemissionen beim Schneiden von hochfesten Blechwerkstoffen, sowie zur systematischen Herausstellung und Bewertung von Maßnahmen zur Reduzierung der Lärmentwicklung am Beispiel eines Stanzautomaten vorgestellt.

Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei primäre Konstruktionsmaßnahmen, welche zur Optimierung der Maschinenakustik im Sinne der Lärmreduktion beitragen. Zum Zweck der Ableitung und Prüfung dieser Maßnahmen wurde ein elastisches MKS-Maschinenmodell erstellt und um Definitionen von akustischen Schichten an und um die Maschinenstruktur sowie im Umgebungsraum erweitert.

Das Modell bildet die elastodynamischen und die akustischen Eigenschaften der Maschinenstruktur ab und erlaubt die Berechnung von aus der Strukturdynamik bei einer gegebenen Prozessanregung resultierenden akustischen Größen wie Schallleistung und Schalldruck. Die systematisch abgeleiteten Strukturmaßnahmen zur Lärmminderung werden im Modell umgesetzt und ihr Einfluss auf die Maschinenakustik im Rahmen von Simulationen bewertet.
Die Ziele des Projekts wurden erreicht.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Reduzierung der Schallemission beim Schneiden höher- und höchstfester Blechwerkstoffe" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19651N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 538 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In many areas of mechanical engineering and production of sheet metal products, innovative high-strength materials are increasingly used. An essential step in sheet metal processing is shear cutting. The material separation results in a sudden release of energy that has built up in the system after the blank holder has been placed on the sheet metal (cutting impact).

This leads to machine vibrations, which cause sound waves, that are emitted to the envi-ronment. In particular, when cutting high-strength sheet metal materials, the sound emission intensity increases, as a higher cutting force has to be applied and consequently higher energy is released.

This results in noise emission with a broad frequency spectra and high amplitudes. This noise can lead to long-term health damage, which is the reason for a mandatory noise limit during machine operation. Furthermore, the noise level is associated with decreased productivity as production times are often restricted for reasons of noise protection. Secondary solutions, such as noise-protection cabins are often associated with high costs, increasing space requirement and restricted accessibility. Active secondary solutions such as cutting impact damping systems are expensive, require high maintenance and are not suitable for high-speed processing.

Due to the challenges in processing innovative sheet metal materials, forming machines must be optimized in order to ensure the competitiveness of machine manufacturers and users in the future.

In this research project a procedure for detecting and analysing noise emissions during the cutting of high-strength materials is presented. Additionally a systematic identification and evaluation of measures to reduce noise development on the example of an automatic punching press is introduced. The investigations are focused on constructive measures that contribute to the reduction of machine noise.

For the purpose of testing these measures, an elastic multi-body machine model was created and validated. For the mapping of acoustic quantities, the model was extended by the definitions of acoustic layers around the machine structure and in the surrounding space.

The model reproduces the elastodynamics and the acoustics of the machine structure with sufficient accuracy and allows the calculation of the excitation transfer as well as the resulting acoustic quantities such as sound power and sound pressure. The identified modifications are implementted in the model and their influence on the machine acoustics are evaluated within the framework of variation calculations.
The goals of the project were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Ausgewählte Grundbegriffe der Akustik
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Geräuschursachen bei Schneidpressen
2.2 Lärmminderungsmaßnahmen
2.3 Maschinensimulation
2.3.1 Simulation der Maschinendynamik
2.3.2 Akustische Simulation
3 Forschungsziele und Lösungsweg
4 Experimentelle Erfassung der Schallemissionen einer Schneidpresse
4.1 Versuchsmittel
4.1.1 Versuchsmaschine
4.1.2 Versuchswerkzeug und Schneidkraftmessung
4.1.3 Akustische Kamera
4.2 Erfassung der Schallemissionen
5 Modellierung
5.1 Elastisches Mehrkörpermodell der Strukturdynamik
5.1.1 Starres Mehrkörpermodell des Presse-Werkzeug-Systems
5.1.2 Abbildung der Elastodynamik
5.1.3 Modellvalidierung
5.2 Abbildung der Maschinenakustik
6 Maßnahmen zur Lärmminderung
6.1 Ansatz
6.2 Simulation
6.2.1 Einleitung
6.2.2 Ausgangskonstruktion
6.2.3 Änderung der Grundgeometrie
6.2.4 Versteifungen
6.2.5 Massenbelegung
6.2.6 Änderung des Werkstoffs
6.3 Fazit
7 Ergebnisse und Ausblick
7.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literaturverzeichnis