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EFB-Forschungsbericht Nr. 551

KEKS - Kompakte Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Martin Feistle, M.Sc. Florian Steinlehner, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

108 Seiten (sw, 66 teils farbige Abb., 12 Tab.)

ISBN: ISBN 978-3-86776-608-1

Preis (Digital) EUR 60,00

Preis (Print) EUR 75,00

Zusammenfassung

Bei der Fertigung von Blechbauteilen sind oftmals mehrere, aufeinander folgende Fertigungsverfahren wie Prägen, Scherschneiden oder Biegen vonnöten. Der Einsatz von Verbundwerkzeugen erlaubt es, unterschiedliche Verfahren in einem Werkzeugverbund zu integrieren und somit Prozessschritte einzusparen.

Dabei wird der gesamte Prozess in seiner Ausbringung und der Qualität der Bauteile durch das langsamste Einzelverfahren bestimmt. Ziel muss es daher sein, in Abhängigkeit der Fertigungsverfahren eine angepasste Prozessgeschwindigkeit zu erreichen.

Die Möglichkeiten, die Geschwindigkeit anzupassen, werden durch die Konstruktionsart der umformenden Werkzeugmaschine maßgeblich bestimmt. Sind die Werkzeugaktivelemente über Werkzeugplatten fest mit dem Pressenstößel verbunden, weisen sie dasselbe Geschwindigkeitsprofil wie die Werkzeugplatten auf.

Geringfügige Geschwindigkeitsanpassungen können durch eine Längenabstufung der Aktivelemente erreicht werden, wenn der Stößel einer charakteristischen Hub-Geschwindig-keitsKurve beispielsweise einer kinematischen Kurve oder einer mathematischen Funktion folgt.

Im Gegensatz dazu kann durch die Integration eines hydraulischen Weg-Geschwindigkeits-Übersetzers, wie er im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konzipiert und erfolgreich erprobt wurde, die Stempelgeschwindigkeit einzelner Aktivelemente gezielt an die verfahrensspezifisch optimale Geschwindigkeit angepasst werden. Dieser hydraulischen Weg-Geschwindigkeits-Übersetzers wird im Folgenden unter der Kurzbezeichung „KEKS“ - Kompakte Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung - geführt.

Durch die Entkopplung der Umform- von der Stößelgeschwindigkeit, kann entweder die Ausbringungsrate bei Stanzprozessen in Verbundwerkzeugen erheblich gesteigert werden oder alternativ eine verbesserte Güte der Umformung bei gleichbleibender Hubfrequenz erreicht werden.

Durch die Wahl des Flächenverhältnisses zwischen Antriebs- und Arbeitskolben der kompakten Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung ist es möglich, die Umformgeschwindigkeit in einem weiten Bereich zu variieren. Die Auslegung des Übersetzers ermöglicht eine Geschwindigkeitsreduzierung um bis zu 60 %, wodurch eine erhebliche Qualitätsverbesserung, hinsichtlich des Detaillierungsgrads, der Umformung bei konstant gehaltener Hubfrequenz im Vergleich zu einem herkömmlich angebundenen Aktivelement erreicht wird.

Der Detaillierungsgrad einer Prägung wird bei Stahlwerkstoffen nicht nur von der Prozessgeschwindigkeit, sondern auch von deren Geometrie beeinflusst. Werden gekrümmte Prägegeometrien miteinander verglichen, so zeigt sich, dass ebenfalls der Krümmungsradius einen Einfluss auf den Grad der Detaillierung hat.

Charakterisiert wurde dieser im Rahmen des Forschungsvorhabens an der Prägetiefe durch einen relativen Vergleich zwischen erzeugten Prägungen und durch einen absoluten Soll-Ist-Vergleich mit dem formgebenden Werkzeugaktivelement.

Der konzipierte Weg-Geschwindigkeits-Übersetzer ermöglicht einen stationären Betrieb bis zu einer Hubfrequenz von 180 Hub/min in Abhängigkeit des Umformvorgangs. Das integrierte Dichtungssystem ermöglicht eine Relativbewegung im Kolben-Zylinder-System von 0,5 m/s bei einem vorherrschenden Innendruck von 180 bar. Dieser entspricht einer rechnerischen angreifenden Kraft von ~18 kN.

Das Forschungsziel wurde erreicht.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „KEKS - Kompakte Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19634N 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. 551 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

By manufacturing sheet metal components, several consecutive manufacturing processes such as embossing, shear cutting, or bending are often necessary. The usage of compound tools makes it possible to integrate different processes in a tool assembly and thus save process steps. The whole process is determined by its output rate and the quality of the components by the slowest individual process. The aim is therefore to achieve an adapted process speed depending on the manufacturing process.

The options for adjusting the speed are largely determined by the design of the forming machine tool. If active tool elements are firmly connected to the press ram via tool plates, they have the same speed profile as the tool plates. Minor speed adjustments can be achieved by graduating the length of the active elements if the ram follows a characteristic stroke-speed curve, for example, a mathematical function.

In contrast to this, the integration of a hydraulic path-speed converter, as it was designed and successfully tested within the scope of this research project, allows the ram speed of individual active elements to be specifically adapted to the process-specific optimum speed. In the following, this hydraulic path/speed translator will be referred to as "KEKS" - Compact Unit for Cost-Effective Punch Speed Adaptation.

By decoupling the forming speed from the ram speed, either the output rate of punching processes in composite tools can be considerably increased or, alternatively, an improved quality of the forming process can be achieved at the same stroke frequency.

By choosing the area ratio between the drive piston and the working piston of the compact unit for cost-effective adjustment of the punch speed, it is possible to vary the forming speed over a wide range.

The design of the translator enables to reduce the speed by up to 60 %, which causes a considerable improvement in quality, terms of the level of detail, of the forming with a constant stroke frequency compared to a conventionally connected active element. With steel materials, the level of detail in an embossing is not only influenced by the process speed, but also by their geometry.

If curved embossing geometries are compared with one another, it becomes apparent that the radius of curvature also has an influence on the degree of detail. This was characterized in the context of the research project on the embossing depth by a relative comparison between the embossings produced and by an absolute Target-Actual comparison with the shaping active tool element.

The designed distance-speed converter enables stationary operation up to a stroke frequency of 180 strokes/min, depending on the forming process. The integrated sealing system enables a relative movement in the piston-cylinder system of 0.5 m/s with a prevailing internal pressure of 180 bar. This corresponds to a calculated acting force of ~ 18 kN.

The research objective was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Möglichkeiten zur Beeinflussung der Werkzeugaktivelementgeschwindigkeit
2.1.1 Umformende Werkzeugmaschine
2.1.2 Werkzeugtechnische Lösungen
2.2 Fertigungsverfahren Prägen
2.2.1 Verfahrensdefinition
2.2.2 Güte einer Prägung
2.2.3 Einflüsse auf die Prägegüte
3 Ausgangssituation, Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Ausgangssituation
3.2 Forschungsziel
3.3 Vorgehensweise
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Servo-Hub-Presse SHP
4.23 D Laserscanningmikroskop VK-X150
4.3 Totlasthärteprüfer LM100AT
4.4 Universalprüfmaschine Typ 1484 / DUPS-M
5 Werkstoffe
5.1 Blechwerkstoff
5.1.1 Werkstoffbeschreibung
5.1.2 Chemische Zusammensetzung
5.1.3 Mechanische Kennwerte
5.2 Werkzeugaktivelementwerkstoff
6 Kompakte Einheit zur kostengünstigen Stempelgeschwindigkeitsanpassung
6.1 Prinzip der hydraulischen Kraftübertragung
6.2 Konstruktive Auslegung
6.3 Virtuelle Abbildung
6.4 Funktionsprinzip des Weg-Geschwindigkeits-Übersetzers
7 Prüfstandkonzept und Versuchswerkzeug
7.1 Prüfstand
7.1.1 Konstruktive Auslegung ohne integrierte Sensorik
7.1.2 Konstruktive Auslegung mit integrierter Sensorik
7.2 Versuchswerkzeug
8 Ergebnisse
8.1 Virtuelle Auslegung und Erprobung der KEKS
8.2 Prägeversuche im Stanzwerkzeug
8.3 Erprobung des entwickelten Weg-Geschwindigkeits-Übersetzers
8.3.1 Erprobung im Prüflabor
8.3.2 Erprobung des Wegübersetzers im Prägewerkzeug
8.3.3 Erprobung im Dauerlauf unter Realbedingungen
9 Resümee und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse insbesondere für KMU
10 Literaturverzeichnis