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EFB-Forschungsbericht Nr. 116

Einsatz lamellierter Elemente in flexiblen Werkzeugsystemen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Franz Garreis, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Maximilian Euringer, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

148 Seiten (Sw 107, teils farbig Abb.)

ISBN: 978-3-86776-248-9

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagworte: Lamellen, Blechdicke

Zusammenfassung

Ziel der Untersuchungen war es, ein flexibles Werkzeugsystem für die Blechumformung zu entwickeln und dessen Einsatzverhalten zu untersuchen, wobei die variablen Werkzeugteile aus lamellierten Werkzeugelementen bestehen. Dazu wurde eine CAD/CAM-Prozeßkette konzipiert, bei der am 3D-Geometriemodell eine schichtweise Lamellierung durchgeführt wird und bei der der Automatisierungsgrad der CAD/NC-Kopplung erhöht wird. Bei der Fertigung von Umformwerkzeugen wurden die verschiedenen Fertigungsmöglichkeiten für lamellierte Werkzeugelemente untersucht und an Hand der gefertigten Werkstücke beurteilt. Den Abschluß der Arbeiten bildete eine Wirtschaftlichkeitsanalyse, in der die konventionelle Fertigung der lamellierten Herstellung von Umformwerkzeugen gegenübergestellt wurde.

Die entwickelte CAD/CAM-Prozeßkette besteht aus einem CAD-System, einem CAD/CAM-Lamellenmodul und einem Postprozessor. Im CAD-System wird das Volumenmodell des Umformwerkzeuges in massive und variable Werkzeugsegmente zerlegt und die Verbindung der Werkzeugsegmente festgelegt. Das CAD/CAM Lamellenmodul übernimmt die Lamellierung der variablen Werkzeugelemente unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Blechdicken, des maximal zulässigen Stufensprungs und des zulässigen Schnittwinkels. Bei der Entwicklung wurden die Ergebnisse zur Untersuchung der Orientierungsmöglichkeiten der Werkzeuglamellen berücksichtigt.

Der NC-Postprozessor erzeugt aus den Geometriedaten der Lamellenkontur unter Berücksichtigung von Technologieparametern die NC-Programme für die Laserstrahlschneiden.
Die Herstellung lamellierter Werkzeugsegmente kann durch zwei Fertigungsstrategien erfolgen. Die erste Fertigungsstrategie, die laut Antrag realisiert wurde, sieht eine direkte Konturanpassung der Werkzeuggeometrie durch lamellierte Blechpakete vor.
Bei der zweiten Fertigungsstrategie wird die Sollkontur des Werkzeuges zunächst nur grob lamelliert angenähert und durch eine spanende Nachbearbeitung exakt nachgebildet. Auf Vorschlag des projektbegleitenden Ausschusses wurde diese Fertigungsstrategie ebenfalls in die Untersuchungen einbezogen.

Zum Fertigen der Werkzeuglamellen wurden sowohl das 2D- als auch das 3DLaserstrahlschneiden eingesetzt. Ziel dieser Untersuchungen war es, eine gute Schnittflächenqualität und Maßhaltigkeit zu erzeugen und den maximal zulässigen Schnittwinkel für das 3D-Laserstrahlschneiden zu bestimmen. Als Werkstoffe für die Untersuchungen wurden St 14-03 (DC 04) (Blechdicken 0,5/1,0/2,0 und 2,5 mm, X5CrNi181 0 (Nr. 1.4301) (Blechdicken 0,5 und 1,0 mm) und St 37-2 (Blechdicken 5,0 und 10,0 mm) verwendet. Unabhängig vom Werkstoff konnten für die Blechdicken 0,5 bis 2,5 mm bartfreie Schnittflächen erzielt werden, wodurch ein Fügen der Werkzeuglamellen ohne Nachbearbeitung möglich ist. Die gemittelten Rauhtiefen lagen im Bereich von ca. 8 bis 13 µm. Als maximal zulässiger Schnittwinkel wurden ca. 25° ermittelt. Bei den Blechdicken 0,5 und 10,0 mm trat eine Bartbildung auf und die gemittelten Rauhtiefen betrugen für die Blechdicke 0,5 mm ca. 18 µm und für die Blechdicke 10,0 mm ca. 40 µm.


Bei der Umformung mit Biege- und Tiefziehwerkzeugen, die mit Fertigungsstrategie 1 hergestellt wurden, traten aufgrund der Rauheit und der Welligkeit der Schnittflächen Riefen an der Außenseite der Bauteile auf. Bei der horizontalen Lamellierung des Ziehstempels prägten sich die einzelnen Lamellenkonturen an der Innenseite des Bauteils ab. Aus diesem Grund können Bauteile, die mit fein lamellierten Werkzeugen gefertigt wurden, nicht im Sichtbereich eingesetzt werden. Bauteile, die mit einem Ziehring nach Fertigungsstrategie 2 hergestellt wurden, weisen dagegen sehr gute Oberflächenqualitäten auf.

Zum Fügen der einzelnen Lamellen und zur Verbindung der lamellierten Segmente mit den massiven Werkzeugteilen wurde eine Verbindungstechnik entwickelt, die aus einer Kombination aus Schrauben und Laserstrahlschweißen bzw. Schrauben und Kleben besteht. Die obersten Lamellenpakete wurden dabei durch Laserstrahlschweißen bzw. Kleben vorgefügt Beim Laserstrahlschweißen betrug die von der Einschweißtiefe abhängige Paketdicke ca. 3,5 mm. Als optimale Schweißnahtform wurden unterbrochene I-Nähte (sog. Steppnähte) eingesetzt. Durch eine Optimierung der Schweißnahtanordnung und der Schweißnahtreihenfolge konnte der auftretende Verzug minimiert werden. Jedoch verursachen die Nahtüberhöhungen, die durch eine Optimierung der Schweißparameter reduziert wurden, Riefen an der Bauteiloberfläche und es kommt zu Aufschweißerscheinungen am Werkstück. Da im Gegensatz zum Kleben keine flächige Verbindung der Lamellen vorliegt, muss bei der Bauteilentnahme darauf geachtet werden, daß die Lamellenpakete der mit Fertigungsstrategie 1 hergestellten Werkzeuge nicht aufgespleißt werden.
Die mit Fertigungsstrategie 2 hergestellten Lamellenpakete wurden durch Kleben vorgefügt Der Klebstoff hatte keine Auswirkungen auf den Umformprozeß.

Die Wirtschaftlichkeitsanalyse der zwei Fertigungsstrategien und der konventionellen Fertigung wurde am Beispiel des hergestellten Ziehrings mit Blick auf die Herstellungszeiten und -kosten durchgeführt. Ein Vergleich der Herstellkosten ergab, daß die Fertigungsstrategie 2 die geringsten Herstellkosten aufweist. Im Vergleich zur Fertigungsstrategie 1 werden bei der groben Lamellierung weniger Lamellen mit einer niedrigen Schnittflächenqualität benötigt und im Vergleich zur konventionellen Fertigung entfällt die zeitaufwendige spanende Fertigung der Hohlform des Ziehrings.

Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß die Herstellung von Umformwerkzeugen mittels Fertigungsstrategie 2 den konventionellen Techniken hinsichtlich der Fertigungszeiten und -kosten überlegen ist. Die Werkzeugqualität ist bei spanender Nachbearbeitung der Funktionsflächen vergleichbar mit der herkömmlicher Verfahren.
Geeignet ist diese Fertigungsstrategie insbesondere zur Herstellung hohlförmiger Werkzeuge für die Fertigung von Prototypen und Kleinserien.
Deshalb gehen die beiden Antragsteller davon aus, daß das Ziel des Vorhabens erreicht wurde.

Das Forschungsvorhaben „Einsatz lamellierter Elemente in flexiblen Werkzeugsystemen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10430B 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. 116 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen
1 Zusammenfassung
2 Einführung
2.1 Wissenschaftliche Problemstellung
2.2 Stand der Technik
2.2.1 Allgemeine Grundlagen
2.2.2 Eigene Untersuchungen
2.3 Zielstellung
3 Gestaltung und Planung lamellierter Werkzeuge
3.1 Möglichkeiten der Lamellierung
3.2 Durchgängige Prozeßkette zur Herstellung lamellierter Elemente
3.3 CAD/CAM-Lamellenmodul zur Generierung der Konturdaten
4 Herstellung lamellierter Werkzeuge
4.1 Laserstrahlschneiden von Werkzeuglamellen
4.1.1 Laseranlagen zum Laserstrahlschneiden
4.1.2 Kriterien für die Bearbeitungsqualität
4.1.3 Ergebnisse Laserstrahlschneiden
4.2 Fügen der Lamellen
4.2.1 Laserstrahlschweißen
4.2.2 Kleben
4.3 Mögliche Verfahren der Konturnachbearbeitung
5 Untersuchungen an lamellierten Biegewerkzeugen
5.1 Eingesetzte Biegeverfahren
5.2 Biegewerkzeug und eingesetzte Presse
5.3 Aktivteile zum Biegen
5.3.1 Lamellierte Biegebacken
5.3.2 Lamellierte Biegestempel
5.3.3 Lamellenwerkstoff
5.4 Versuchswerkstoff
5.5 Biegeversuche
5.6 Versuchsauswertung
5.6.1 Grundsatzuntersuchungen über Eignung lamellierter Elemente
5.6.2 Verschleiß- und Gefügeuntersuchungen an den Werkzeugaktivteilen
5.6.3 Fügetechnik für Lamellenpakete
5.6.4 Einfluß der Lamellierung auf die Werkstückqualität
5.7 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen
6 Untersuchungen an lamellierten Tiefziehwerkzeugen
6.1 Genutzte Umformmaschine
6.2 Tiefziehwerkzeug
6.2.1 Ziehstempel
6.2.2 Ziehring
6.2.3 Lamellenwerkstoff
6.3 Versuchswerkstoff
6.4 Tiefziehversuche
6.4.1 Zuschnittsermittlung
6.4.2 Versuchsdurchführung
6.5 Versuchsauswertung
6.5.1 Einfluß der Stempellamellierung auf die Werkstückqualität
6.5.2 Einfluß der Ziehringlamellierung auf die Werkstückqualität
6.6 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen
7 Analyse der Wirtschaftlichkeit am Beispiel der gefertigten Ziehringe
7.1 Fertigungszeiten
7.2 Fertigungskosten
8 Literaturverzeichnis
9 Verzeichnis der Anlagen