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EFB-Forschungsbericht Nr. 144

Einsparpotentiale und Anwendungserweiterungen mitfahrender Ziehtechniken

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Wilhelm Henning, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Lutz-Eike Elend, Dipl.-Ing. Elmar Engels, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover

95 Seiten (Sw 50 Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-272-4

Preis (Digital) EUR 40,00

Preis (Print) EUR 44,90

Zusammenfassung

Den Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojektes "Einsparungspotentiale und Anwendungserweiterungen mitfahrender Ziehkissentechniken" lag die Aufgabe zugrunde, die technologische Einsatzeignung dieser innovativen Ziehkissentechnologien gegenüber den konventionellen Verdränger-Ziehkissen objektiv zu bewerten und die Erwartungen hinsichtlich maschinenbautechnischer und energetischer Anwendungsvorteile qualitativ und quantitativ nachzuweisen.

Obwohl sich in jüngster Zeit eine rasante Entwicklung, insbesondere hydraulisch betriebener Ziehkissen hinsichtlich Steuerung, Steife und außermittiger Belastbarkeit vollzogen hat und die Qualität der Blechhalterfunktion von zweifachwirkenden Pressen nahezu erreicht wird, existiert nach wie vor der systemtypische Nachteil des Verdrängerprinzips. Da hierbei die Niederhalterkraft gegen die Stößelkraft gerichtet ist muss die Dimensionierung der Pressenbaugruppen und des Antriebes auf eine addierte Gesamtkraft ausgelegt sein. Neben dieser Überdimensionierung bildet die stetig aufzubringende Verdrängerleistung im Ziehkissen eine weitere, bislang geduldete Energieverlustquelle.

Im Bemühen diese erkannten Einsparungspotentiale schrittweise nutzbar zu machen haben die beiden an diesem Projekt beteiligten Forschungsstellen bereits durch zurückliegende Forschungsaufgaben einschlägige Vorarbeiten geleistet, in deren Ergebnissen u.a. Prototypen energiearmer Ziehkisseneinrichtungen entstanden sind.

Es handelt sich dabei um:

  • einen hydromechanischen Blechhalter im Zusammenwirken mit einer Vierpunkt-Kurbelpresse mit 5000 kN Nennpreßkraft,
  • eine hydraulische Ziehkissenklemmung in einer einfachwirkenden hydraulischen Presse mit 2500 kN Nennpreßkraft,
  • ein Werkzeugsystem mit integriertem verriegeltem Blechhalter.


Während zur Untersuchung der beiden erstgenannten Prototypen die jeweils in den Pressen installierte konventionelle Ziehkissentechnik für die vergleichenden Untersuchungen herangezogen werden konnte, wurde das Verriegelte Werkzeug auf einer einfachen Presse mit erhöhtem technologischen Anspruch ausgetestet.

Zum Abgleich der überwiegend experimentellen Untersuchungen und meßtechnischen Auswertungen kamen zunächst einfache Vergleichswerkzeuge zu Einsatz. Nach Erreichen einer unter Laborbedingungen vergleichbaren Funktionsstabilität wurden zahlreiche Versuchsreihen mit wechselnden Ziehkissenfunktionen unter Einsatz verschiedener Realwerkzeugen gefahren. In dieser Phase lag der Schwerpunkt der Untersuchungen in der objektiven Nachweisführung zu einer qualitativ vergleichbaren Prozessstabilität. Als Kriterien wurden die Abformgenauigkeit an den Blechformteilen und die Stößelgeschwindigkeit als Vergleichsgröße für die Hubzahl herangezogen.

Nach dieser Vorgehensweise wurde zumindest für die pressenintegrierten Kissensysteme der Nachweis für die funktionelle Substitutionsfähigkeit der mitfahrenden Ziehkissentechnik erbracht und die Voraussetzung für die nachgeordnete energetische Bewertung geschaffen. Schließlich ist es im Rahmen weiterer Versuche und Meßreihen gelungen, den erwarteten energetischen Einsparungseffekt auch quantitativ nachzuweisen. Die ermittelten Werte geben Aufschluß über Kostensenkungspotentiale durch Energieeinsparungen und bei Neuentwicklungen von Pressenbaugruppen.

Es wird eingeschätzt, dass für die Hersteller und Betreiber von Pressen ein bedeutendes Nutzungspotential mit der Anwendung der mitfahrenden Ziehkissentechnik besteht. Die derzeit niedrigen Energiekosten und deren nahezu unbedeutender Anteil an der Produktentstehung sind zugegebenermaßen keine überzeugenden Gründe, dieser Herausforderung konsequent nachzugehen. Mit Blick in die Zukunft muss der objektive energetische Aspekt jedoch um eine Reihe weiterer Merkmale ergänzt werden. So wird mit dem verstärkten Einsatz höherfester Werkstoffe der Anspruch auf eine Erhöhung der spezifischen Niederhalterkräfte kontinuierlich ansteigen und das ohnehin schon ungünstige Verhältnis von Blechhalterkraft zu Stößelkraft energetisch weiter verschlechtern.

Ferner ist absehbar, dass aus Gründen der Automatisierungsfähigkeit, der Maschinenkosten und der Kompatibilität zwischen den Kooperationspartnern der Einsatz von Tischziehkissen gegenüber zweifachwirkenden Systemen zunehmen wird. Schließlich, und das haben die Untersuchungen als zusammengefassten Vorteil gezeigt, können Tiefziehwerkzeuge, bei vorausgesetzter Einbaufähigkeit, auf Pressen ähnlicher Bauform jedoch geringerer Presskraft betrieben werden.

Die bestehenden Funktionsvorteile des verriegelten Werkzeuges im Bereich der Werkstoffflußsteuerung prädestinieren diese Werkzeugtechnik für Anwendungen in Nischenbereichen, wie dem Prototyping oder die Fertigung anspruchsvoller Kleinserien auf einfachen Pressen ohne Ziehapparat.

Das Forschungsvorhaben „Einsparpotentiale und Anwendungserweiterungen mitfahrender Ziehtechniken“ wurde unter der Fördernummer AiF 11158B 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. 144 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1 Einleitung
2 Aufgabenstellung
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Anforderungen an effiziente Ziehtechniken
3.2 Konventionelle Ziehtechniken
3.3 Gesteuerte Zieheinrichtungen
3.4 Innovative, mitfahrende Ziehtechniken
4 Grundlagen der Energie- und Leistungsmessung
4.1 Leistungsmessung in mechanischen Systemen
4.2 Leistungsmessung in elektrischen Systemen
4.2.1 Effektivwert
4.2.2 Momentanleistung
4.2.3 Scheinleistung
4.2.4 Wirkleistung
4.2.5 Blindleistung
4.2.6 Leistungsfaktor
4.2.7 Elektrische Energie
5 Vergleichende Untersuchungen der Ziehtechniken
5.1 Bewertungskriterien
5.2 Eingesetzte Ziehtechniken
5.2.1 Hydromechanisch verriegelter Blechhalter
5.2.2 Hydraulische Ziehkissenklemmung
5.2.3 Verriegeltes Werkzeug
6 Experimentelle Nachweisführung hinsichtlich der Nutzenspotentiale
6.1 Mechanische Presse mit konventioneller und hydromechanischer Ziehtechnik
6.1.1 Versuchseinrichtungen am IWU Chemnitz
6.1.2 Meßtechnik
6.1.3 Versuchsablauf
6.1.4 Ergebnisdarstellung
6.2 Versuchseinrichtungen am IFUM Hannover
6.2.1 Meßtechnik
6.2.2 Hydraulische Presse mit konventioneller Verdrängerziehtechnik und hydraulischer Ziehkissenklemmung
6.2.2.1 Versuchsdurchführung
6.2.2.2 Versuchsergebnisse
6.2.3 Verriegeltes Werkzeug
6.2.3.1 Versuchsdurchführung
6.2.3.2 Versuchsergebnisse
7 Bewertung der ermittelten Anwendungs- und Einsparpotentiale
7.1 Hydromechanisch verriegelter Blechhalter (IWU) und hydraulische Ziehkissenklemmung (IFUM)
7.2 Verriegeltes Werkzeug (IFUM)
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literaturverzeichnis
10 Abbildungen