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EFB-Forschungsbericht Nr. 091

Die Druckpunktregelung unter produktionsnahen Bedingungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Henry Schrobbach, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

170 Seiten (Sw 71 Abb. 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-132-1

Preis (Digital) EUR 74,00

Preis (Print) EUR 83,50

Schlagworte: Qualität, Werkstück

Zusammenfassung

Einleitende Untersuchungen zur Entstehung von Fehlern am umgeformten Werkstück zeigen, daß eine Vielzahl der Mängel während der Umformphase entstehen.

Daraus ableitend wird die Entstehung dieser Fehler dem Presse-WerkzeugSystem zugeordnet. Insbesondere die Kippung und der Horizontalversatz des Pressenstößels während der Umformung führen zu Qualitätsverlusten am Werkstück (Falten und Reißer an Ziehteilen, Konturversatz an Schmiedestücken u.a.).

Die Erhöhung der Genauigkeit heutiger Umformanlagen ist hier eng mit der Reduzierung von Stößelkippung und -versatz gegenüber dem Tisch verbunden.
Sie erfordert neben der Nutzung von Spielreduzierung und Versteifung einzelner Baugruppen auch die Verbesserung des Zusammenspieles zwischen Presse und Werkzeug. Eine Beantwortung der Fragestellung von Pressen- und Werkzeugherstellern, ob die Qualität des umgeformten Werkstücks hauptsächlich von der Presse oder vom Werkzeug abhängig ist, führt in diesem Zusammenhang zu Systembetrachtungen.

Zur Erfassung und Beurteilung der Systemgenauigkeit werden zwei Berechnungsmodelle entwickelt, die entsprechend der Aufgabenstellung einen abgesteckten Gültigkeitsbereich besitzen. Die diskreten Mehrkörperpressenmodelle, die außermittige Pressenbelastungen in den Kippebenen des Stößels berücksichtigen, beschreiben eine vorhandene Zweipunktkurbelpresse mit Längswellenantrieb (Versuchspresse):

  • Modell für Zweipunktpressen mit Längswelle, Freiheitsgrad Fg = 8,
  • reduziertes Modell für Einpunktpressen, Freiheitsgrad Fg = 6.

Die Festlegung der Struktur erfolgt aus der theoretischen und experimentellen Analyse der Versuchspresse. Die Modelle sind durch folgende Kriterien gekennzeichnet:

  • Aufteilung der elastisch aufgestellten Presse in drei Massen, die Tischmasse wird entsprechend der Aufgabenstellung als feststehend gesehen,
  • Modeliierung des Gestells unter Berücksichtigung außermittiger Massenschwerpunkte,
  • Modeliierung und Kopplung des rotatorisch wirkenden Zweipunktantriebes (Torsionsschwingungen) mit dem vertikalen Schwingungssystem,
  • Festlegung einer horizontalen Stößeleinbindung in die Pressenführung und des Stößelgewichtsausgleichs,
  • Reduzierung des Zweipunktpressenmodells auf einen Kurbeltrieb (Einpunktpresse),
  • Berücksichtigung von Dämpfung und Nichtlinearitäten (Spiel),
  • Nichtlineare transiente Systemanregung durch Schneidkraft-Weg-Funktion Eine Neuerung bei der Modellbildung stellt die Einbindung des Werkzeuges dar.

Durch die Modellierung einer Horizontalsteifigkeit in der Schließebene ist die Beeinflussung der Stößelkippung und des Horizontalversatzes durch das Werkzeug gegeben.
Die symbolischen Modelle werden durch gewöhnliche nichtlineare Differenzialgleichungsysteme 2.Ordnung beschrieben. Die Herleitung wird nach LAGRANGE vorgenommen. Die Berechnung erfolgt durch numerische Integration unter Zuhilfenahme des Programmsystems USAN®, welches durch benutzereigene Modellbausteine charakterisiert ist.

Aus den simulativen Untersuchungen, der als bedeutender, weil statisch unbestimmter, angesehenen Zweipunktpresse mit Werkzeug, werden Mechanismen der Stößelkippung nachgewiesen. U.a. wird festgestellt, daß => es durch geometrische Fehler des Zweipunktantriebes zu inneren Systemverspannungen kommt (Zwangskräfte zwischen Presse und Werkzeug), die Kippung und Horizontalversatz der Werkzeughälften in der Schließebene beeinflussen, => sich die allgemeine Bestimmung der Stößellage durch Mehrpunktpressenantrieb, Stößel- und Werkzeugführung bei außermittiger Pressenbelastung nachteilig auf die erzielbare Qualität auswirken kann. Es kommt am Beispiel zu gegenläufigen Tendenzen von Maximalkippung und maximalen Versatz beim Anstellen der Pressenführung (Führungsspielreduzierung).

Aus den Ergebnissen der Simulation wird die Konzeption einer nachrüstbaren Systemlösung für Pressen mit eigengeführtem Werkzeug entwickelt, die es erlaubt, Kippung und Horizontalversatz in der Werkzeugschließebene zu minimieren.
Das gilt vor allem für die Herstellungsphase des Teiles, der Phase maximaler Pressenbelastung durch außermittig wirkende Umformkräfte.

Erreicht werden diese Qualitätseigenschaften durch eine Regelung. Servohydraulisch angesteuerte Stellelemente im Pressenhauptantrieb sowie eine Umschaltung der Reglerparameter entsprechend des verspannten und unverspannten Pressenzustandes charakterisieren die Regelung. Die Anforderungen, der Aufbau und die Realisierung der Zustandsregelung werden beschrieben. Die Möglichkeiten des außerhalb dieser Arbeit entwickelten strukturoptimalen schnellen Tastreglers zur Kippungskompensation, werden mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen dargelegt und deren derzeitigen Anwendungsgrenzen durch eine Regressionsgleichung beschrieben.
Bei den experimentellen Untersuchungen wird von verschiedenen Pressenbelastungen Gebrauch gemacht. Dazu gehören außermittig aufgebrachte Kräfte durch Federpaket, das Schneiden von Blechen mi/ohne Durchriß und Stauchversuche.

Neben dem Nachweis einer Verbesserung der Stößelkippung bis zu 86% werden unter Zuhilfenahme von verschiedenen Meßanordnungen an den Führungen von Presse und Werkzeug, die Minderung der Führungsbelastungen bei geregelter Pressenanlage gegenüber der ungeregelten dargestellt. Die Grenzen der Regelung und der notwendige Einsatz von Zusatzbaugruppen (z.B. Schnittschlagdämpfung) werden anhand des Schneidens und Stauchens sichtbar.
U.a. wird der zeitliche Verlauf der außermittigen Umformkraft als Qualitätskriterium angesehen. Eine Verringerung des Kraftanstieges und -abfalls sind zur Erweiterung der Anwendungsbreite wesentlich.

Ein Ansatzpunkt weiterer Untersuchungen stellt die Reduzierung der Anlagekosten dar. ln Bezug auf die verwendete Gerätetechnik ist der Austausch der teuren Servoventiltechnik durch Proportionalventile denkbar. Die Reduzierung der notwendigen hydraulischen Leistung kann einen weiteren inhaltlichen Kernpunkt darstellen. Hierzu sind die Möglichkeiten des Einsatzes null- bzw.
positivüberdeckter Ventile zu prüfen, die durch einen geringeren Volumenstrom im Arbeitsbereich den Energieverbrauch senken. Vor den Untersuchungen zur Anwendung der Regelung an Vierpunktpressen sollte ein wesentlicher Schwerpunkt in der Prüfung der Verschleißmechanismen der besonders stark beanspruchten Servoventile liegen.

Das Forschungsvorhaben „Die Druckpunktregelung unter produktionsnahen Bedingungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 9639B 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. 91 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verzeichnis der Abkürzungen und Indizes
1 Aufgabenstellung und Ziele der Arbeit
2 Erkenntnisstand und Literatur
2.1 Die Erfassung der Pressengenauigkeit
2.2 Die Modellbildung von Pressensystemen
2.3 Werkstückfehler beim Umformen und ihre Ursachen
2.3.1 Arten, Häufigkeit und Entstehung von Werkstückfehlern
2.3.2 Signifikante Ursachen von Werkstückfehlern
2.4 Stand der Technik zur Erhöhung der Wirkflächenparallelität
3 Einflußgrößen auf die Stößelkippung und deren Modeliierung
3.1 Pressenkenngrößen und -bauarten
3.2 Einflußfaktoren auf die Lage und Belastung des Pressenstößels
3.2.1 Die Bezugssysteme
3.2.2 Zur Lagebestimmung des Stößels
3.2.3 Die Kräfte am Pressenstößel
3.2.4 Der Einfluß des Werkzeuges 33
3.2.5 Der Einfluß der hydraulischen Überlastsicherung
3.3 Pressenstrukturen und -modelle zur Beurteilung der Stößelkippung
3.3.1 Das Modell der Zweipunktpresse (X-Z-Ebene)
3.3.2 Das Modell der Einpunktpresse (Y-Z-Ebene)
3.3.3 Die mathematischen Modelle
3.4 Die Bestimmung der Systemparameter
3.4.1 Die Feder- und Geometrieparameter
3.4.2 Die Dämpfungsparameter
3.4.3 Besonderheiten
3.4.4 Der normierte Kraftverlauf
3.5 Modellprüfung am Beispiel der Zweipunktpresse
4 Die Stößelkippung im Presse-Werkzeug-System
4.1 Das Kraft- und Momentgleichgewicht am Stößel
4.2 Der Anteil von Pressen- und Werkzeugführung an der Stößellage
4.2.1 Zwangskräfte, Entstehung und deren Auswirkung
4.2.2 Die Stößellage bei Wirkung einer Verfahrenskraft
4.3 Zusammenfassung und Konzepte zur Erhöhung der Systemqualität
5 Verbesserung der Wirkflächenparallelität durch einen hydromechanischen Antrieb - Die Druckpunktregelung
5.1 Zielstellung und Anforderungen an die Regelung
5.2 Maschinenkonzept und technische Komponenten
5.2.1 Die Stelleinheiten
5.2.2 Die hydraulische Ansteuerung
5.2.3 Regler und Meßtechnik
5.3 Ergebnisse bei der Erprobung an der Versuchspresse
5.3.1 Die Stößelkippung der geregelten Presse
5.3.2 Qualitative Beurteilung der Führungsbelastung von Presse und Werkzeug in der geregelten Presse
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literatur
8 Anlagenverzeichnis