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EFB-Forschungsbericht Nr. 152

Weiterführende Untersuchungen zur Optimierung der Gestaltung von Umformwerkzeugen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Siegert, Dipl.-Ing. Markus Häussermann, Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart

222 Seiten (Sw 140, teils farbige Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-281-6

Preis (Digital) EUR 114,00

Preis (Print) EUR 128,40

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Verrippungsstrategien für Großwerkzeuge wie z.B. Tiefzieh-, Abkant-, Durchstell-, Schneid- und Nachformwerkzeuge, mit deren Hilfe für gegeben Rahmenbedingungen optimale Verrippungsgeometrien ermittelt werden können. Die Verrippungsstrategien sollen den Konstrukteur bei der Werkzeugkonstruktion unterstützen, indem sie für konkrete Anwendungsfälle optimale Lösungen bieten. Dadurch wird die Verrippungsgestaltung wesentlich vereinfacht und so die erforderliche Zeit für die Werkzeugkonstruktion verringert. Die Verrippungsstrategien sollen so ausgelegt sein, dass sie im Zusammenspiel mit parametrisierten Verrippungsgeometrien in die rechnerunterstützte Werkzeugkonstruktion integriert werden können.

Zur Realisierung wurden Tiefzieh-, Abkant-, Schneid-, Durchstell-, Loch- und Nachformwerkzeuge in einzelne Funktionsbereiche eingeteilt: Aktivflächen, Gegenhalteflächen, Ziehrahmenflächen und Unterstützungsflächen. Für die einzelnen Funktionsbereiche wurden Anforderungsprofile aufgestellt und eine optimale Verrippungsgeometrie ausgewählt. Die Abmessungen der Verrippungsgeometrien wurden mit Hilfe von FE-Untersuchungen optimiert und jeweils eine geeignete Parameterkombination vorgeschlagen. Anschließend wurden für die einzelnen Verrippungsgeometrien Konstruktionsmethodiken erarbeitet und schließlich allgemeingültige Verrippungsstrategien für Tiefzieh- und Folgewerkzeuge abgeleitet.

Die gefundenen Verrippungsstrategien ermöglichen eine optimale Werkzeugsteifigkeit bei minimalem Werkzeuggewicht. Bei Tiefziehwerkzeugen wurde zudem zwischen zwei Verrippungsstrategien unterschieden: die "versetzte Verrippung", die sich für auf konventionellen Ein- oder Vierpunkziehvorrichtungen eingesetzte Werkzeuge eignet und die Verrippungsstrategie "segmentelastischer Niederhalter und prismatisch verrippte Matrize" für den Einsatz von Werkzeugen auf modernen Vielpunktziehvorrichtungen.

Am Beispiel eines Tiefziehwerkzeugs wurde mit den gefundenen Verrippungsstrategien ein Versuchswerkzeug mit einer ausgewählten Bauteilgeometrie aufgebaut. In theoretischen und praktischen Untersuchungen wurden die Eignung des Versuchswerkzeugs in der Praxis sowie die Vorteile gegenüber einem konventionell gestalteten Tiefziehwerkzeug nachgewiesen.

Das Forschungsvorhaben „Weiterführende Untersuchungen zur Optimierung der Gestaltung von Umformwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 11787N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 152 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Konventionen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Entwicklung in der Werkzeugkonstruktion
2.2 Stand der Werkzeuggestaltung
2.3 Problematik der Werkzeugverrippung
2.4 Trends und spezielle Werkzeugkonzepte
2.5 Defizite und Aufgaben für die Zukunft
3 Aufgabenstellung und Vorgehensweise
4 Klassifizierung der zu untersuchenden Rahmenbedingungen
4.1 Art des Verfahrens, Werkzeugaufbau und -funktionsbereiche
4.2 Werkzeugabmessung und Bauteilgeometrie
4.3 Werkzeugwerkstoff
4.4 Art der Krafteinleitung und Anordnung der Kraftangriffspunkte
5 Optimierung des Systems Matrize-Niederhalter von Tiefziehwerkzeugen
5.1 Systematisierung
5.2 Anforderungsprofil für Matrize-Niederhalter-Systeme
5.3 Vergleichende Betrachtung von Matrize-Niederhalter-Paarungen
5.3.1 Beurteilungskriterien
5.3.2 Diskussion der Ergebnisse
5.4 Auswahl geeigneter Matrize-Niederhalter-Paarungen
5.5 Untersuchung und Optimierung der "Versetzten Verrippung"
5.5.1 Platten- und Rippenwandstärken
5.5.2 Kraftangriffspunkt der Pinole
5.6 Untersuchung und Optimierung des "Segmentelastischen Niederhalters und der prismatisch verrippten Matrize"
5.6.1 Segmentelastischer Niederhalter
5.6.2 Prismatisch verrippte Matrize
5.6.3 Kraftangriffspunkt der Pinole
5.7 Zusammenfassung der Ergebnisse
5.8 Vergleich mit konventioneller Werkzeuggestaltung
6 Optimierung des Systems Aktivfläche-Gegenhalter bei Folgewerkzeugen
6.1 Systematisierung
6.2 Anforderungsprofil für das System Aktivfläche-Gegenhalter
6.3 Untersuchung und Optimierung des Segmentelastischen Gegenhalters sowie des Versteifungsrahmens
6.3.1 Segmentelastischer Gegenhalter
6.3.2 Versteifungsrahmen
6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
7 Optimierung der Verrippung für Unterstützungsflächen
7.1 Systematisierung
7.2 Anforderungsprofil für Unterstützungsflächen
7.3 Untersuchung und Optimierung der prismatischen Verrippung für Unterstützungsflächen
7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
8 Konstruktionsmethodiken für Werkzeuggrundkörper
8.1 Versetzte Verrippung
8.2 Prismatisch verrippte Matrize
8.3 Segmentelastischer Niederhalters
8.4 Aktivflächen
8.5 Unterstützungsflächen
8.6 Versteifungsrahmen
9 Ableitung von Verrippungsstrategien
9.1 Tiefziehwerkzeuge
9.2 Folgewerkzeuge
10 Aufbau eines Versuchswerkzeugs mit integrierter Vielpunktziehvorrichtung
10.1 Konstruktion des Versuchswerkzeugs
10.2 Aufbau der Vielpunktziehvorrichtung
10.2.1 Anforderungen
10.2.2 Konzipierung der Hydraulik
10.2.3 Steuerungssoftware
10.2.4 Technische Daten
10.3 Inbetriebnahme der Anlage
11 Nachweis der Funktionalität des Versuchswerkzeugs
11.1 Theoretische Untersuchungen
11.1.1 Zuordnung Flächenpressung - Pinolenkraft
11.1.2 Möglichkeit einer lokalen Einflussnahme
11.2 Experimentelle Untersuchungen
11.2.1 Definition der Versagensarten
11.2.2 Einheitlich konstante Pinolenkräfte
11.2.3 Einheitlich abfallende Pinolenkräfte
11.2.4 Einheitlich ansteigende Pinolenkräfte
11.2.5 Optimierte Pinolenkräfte
12 Untersuchungen zur Effizienz der Verrippungsstrategie für Schneidwerkzeuge
12.1 Modellbildung
12.2 Beanspruchung beim Transport
12.3 Beanspruchung während des Schneidvorgangs
13 Zusammenfassung
Literatur
Anhang A - Vergleichende Betrachtung von Matrize-Niederhalter-Paarungen
Anhang B - Einfluss der Höhe bei Niederhaltersegmenten
Anhang C - Einfluss des Kraftangriffspunkts
Anhang D - Vergleichsspannung
Anhang E - Vergleich mit konventioneller Kastenprofilverrippung
Anhang F - Flächenpressung
Anhang G - Untersuchte Schneidwerkzeuge