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EFB-Forschungsbericht Nr. 017

Ermittlung des Einflusses unterschiedlicher Hauptwellenlagerungen und Stößelführungen auf das statische und dynamische Verhalten von Schneidpressen

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck, Dipl.-Ing. Jens-Peter Fürbaß, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und betriebslehre Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

161 Seiten (Sw 95 Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-059-1

Preis (Digital) EUR 75,00

Preis (Print) EUR 84,50

Schlagwörter: Wellenlagerung, Schneidpresse, Schneidwerkzeug, Hubzahl

Zusammenfassung

Das Ziel dieses vom Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen durchgeführten und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. /Deutsche Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. geförderten Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Hauptwellenlagerungen und Stößelführungen auf das statische und dynamische Verhalten von Schneidpressen.
Dabei hat die Bewegungsgenauigkeit des Pressenstößels relativ zum Tisch einen unmittelbaren Einfluß auf die Qualität der Werkstücke und die Standzeit der Werkzeuge.

Das Maschinenverhalten eines Hochleistungs-Stanzautomaten wurde zunächst im Ausgangszustand, d.h. mit wälzgeführtem Stößel und einer Hauptwellenlagerung mit zylindrischen, hydrodynamischen Gleitlagern meßtechnisch ermittelt. Dazu wurde ein spezielles Schneidwerkzeug mit einer integrierten Kraftmeßeinrichtung und eine spezielle Meßvorrichtung, mittels der die Bewegungsgenauigkeit des Pressenstößels ermittelt wurde, entwickelt, gefertigt und eingesetzt.
Die Belastung der Presse erfolgte sowohl durch quasistatische Kräfte bei unterschiedlichen Außermittigkeiten als auch durch Prozeßkräfte bei verschiedenen Belastungszuständen bei unterschiedlichen Drehzahlen.

Bei der statischen Belastung war die Steifigkeit gegen Stößelkippungen um die x-Achse (senkrecht zur Materialflußrichtung) deutlich höher als gegen Kippung um die y-Achse. Dies ist auf die kippsteifigkeitserhöhende Wirkung der beiden Pleuel, die sich an der längs angeordneten Kurbelwelle abstützen, zurückzuführen. Die dynamische Belastung der Schneidpresse durch Prozeßkräfte führte jedoch zu Relativbewegungen des Stößels zum Tisch, welche in y-Richtung bei allen untersuchten Drehzahlzahlen deutlich größer waren als die in x-Richtung. Untersuchungen des dynamischen Verhaltens der Maschine mit Hilfe der rechnerunterstützten Modalanalyse zeigten die stärksten Kippschwingungen des Stößels in den Ständerführungen um die x-Achse bei den dominanten Eigenfrequenzen.

Frequenzanalysen der anregenden Prozeßkräfte ergaben Frequenzanteile im Bereich der Eigenfrequenzen der Maschine. Damit erfolgt eine Schwingungsanregung der Maschine in ihren Eigenformen, was Stößelbewegungen in y-Richtung zur Folge hat. Zur Verbesserung des Maschinenverhaltens wurden an der Koppelstelle Stößel-Ständer die Wälzführungen gegen hydrostatische Stößelführungen ausgetauscht.

Die Berechnung der Hydrostatikführungen, bei der, bedingt durch die nicht vernachlässigbare Ständernachgiebigkeit, die elastische Gestellverformung mit berücksichtigt werden mußte, erfolgte mit Hilfe von Tischrechnerprogrammen, die für diese Anwendung speziell modifiziert wurden.
Die Untersuchungen des statischen und dynamischen Verhaltens der Schneidpresse nach Fertigung und Montage der hydrostatischen Stößelführungen ergaben, daß bei statischer Belastung die auftretenden Anfangskippungen um beide Achsen um bis zu 20 % geringer war als bei wälzgeführtem Stößel, die Kippsteifigkeit in Abhängigkeit von der Belastung um 10 % bis 100 % zunahm, wobei die Zunahme der Kippsteifigkeit um die y-Achse aufgrund des stärkeren Einflusses der Führung auf das Kippverhalten um diese Achse deutlich höher war.

Auch eine dynamische Belastung durch Prozeßkräfte führte zu Stößelverlagerungen, die deutlich die Vorteile der hydrostatischen gegenüber der Wälzführung zeigten. So betrug die Verringerung des Querversatzes beim Schneidvorgang beispielsweise bei einer Hubzahl von 400 Hüben/Minute in y-Richtung 11 % und in x-Richtung gar 50 %.

Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Maschine in y-Richtung, in der besonders beim Einsatz von Folgewerkzeugen eine hohe Steifigkeit auch bei außermittiger Belastung erforderlich ist, wurden zusätzliche hydrostatische Umgriffe konstruiert, gefertigt und an der Schneidpresse montiert. Die Untersuchungen bei statischer und dynamischer Belastung ergaben, daß aufgrund der geänderten Ständerbelastung durch die Umgriffe das Maschinenverhalten in dieser Richtung weiter verbessert wurde. Bei der für die Praxis relevanten Belastungsart "Schneiden von Blech" traten beispielsweise bei einer Hubzahl von 400 Hüben/Minute um ca. 40 % geringere Horizontalverlagerungen des Stößels in y-Richtung auf als beim wälzgeführten Stößel.

Bei der serienmäßig verwendeten hydrodynamischen Hauptwellenlagerung mit kreiszylindrischen Gleitlagern ist das Lagerspiel, das für die Funktionsfähigkeit des Lagers erforderlich ist, im wesentlichen verantwortlich für negative Auswirkungen bezüglich des vertikalen Steifigkeitsverhaltens der Schneidpresse. Mehrgleitflächenlager mit Zitronenspiel lassen diesbezüglich Verbesserungen des Maschinenverhaltens erwarten, da durch einen sich in der Oberschale der Lager ausbildenden Blinddruck ein Einspanneffekt erzielt wird.

Nach Berechnung, Auslegung, Fertigung und Montage der Zitronenspiellager für die Lagerung der Hauptwelle und der beiden Pleuel wurde das Maschinenverhalten wiederum bei statischer und dynamischer Belastung ermittelt. Die Untersuchungen ergaben, daß die vertikale Anfangsverlagerung des Stößels relativ zum Tisch bei quasistatischer mittiger Belastung entsprechend dem deutlich verringerten Lagerspiel um ca. 50 % verringert wurden.
Ein Einfluß der geänderten Lager auf die horizontalen Steifigkeiten sowie die Kippsteifigkeiten der Presse war nicht festzustellen.

Bei Belastung der Maschine durch Prozeßkräfte war bei dem für die Praxis relevanten Belastungszustand "Schneiden von Trafoblech" eine deutliche Reduzierung des im Hinblick auf eine hohe Werkzeugstandzeit wichtigen Kennwertes "Eintauchtiefenänderung" aufgrund der geänderten Lager festzustellen. Eine meßbare Beeinflussung der Bewegungsabweichungen des Stößels in x- und y-Richtung bedingt durch die Zitronenspiellager erfolgte nicht.

Das Forschungsvorhaben "Ermittlung des Einflusses unterschiedlicher Hauptwellenlagerungen und Stößelführungen auf das statische und dynamische Verhalten von Schneidpressen" wurde unter Fördernummer AiF-Nr.: 4746 von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 17 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Formelzeichen und Abkürzungen
1. Einleitung
2. Meßtechnische Ermittlung des Ausgangszustandes der Presse
2.1 Allgemeine Beschreibung der systematischen Bewegungsabzeichnungen bei Bewegungen in einer Achse
2.2 Verwendete Versuchs- und Meßeinrichtungen bzw. -techniken
2.2.1 Schneidpresse
2.2.2 Schneidwerkzeug
2.2.3 Vorgehensweise zur Ermittlung des Nachgiebigkeitsverhaltens der Schneidpresse bei statischer Belastung
2.2.4 Vorgehensweise zur Ermittlung des Nachgiebigkeitsverhaltens der Schneidpresse bei dynamischer Belastung
2.3 Untersuchungsergebnisse der Schneidpresse mit wälzgeführten Stößel
2.3.1 Belastung der Presse durch quasi-statische Kräfte
2.3.1.1 Beschreibung der translatorischen Abweichungen in Arbeitsrichtung
2.3.1.2 Beschreibung der translatorischen Abweichungen quer zur Arbeitsrichtung
2.3.1.3 Beschreibung der rotatorischen Abweichungen des Stößels
2.3.2 Ermittlung der Bewegungsabweichungen des Stößels relativ zum Tisch bei Belastung durch Prozeßkräfte
2.3.3 Untersuchung und Analyse des dynamischen Verhaltens der Schneidpresse
3. Konstruktive Auslegung einer hydrostatischen Stößelführung
3.1 Gegenüberstellung möglicher Ausführungen hydrostatischer Stößelführungen
3.2 Berechnung einer Hydrostatikführung unter Berücksichtigung der Gestellauffederung
4. Konstruktive Auslegung einer alternativen Lagerung der Kurbelwelle
5. Einfluß der hydrostatischen Stößelführung auf das statische und dynamische Verhalten der Schneidpresse
5.1 Messung des statischen Verhaltens, der Schneidpresse mit hydrostatisch geführtem Stößel ohne Umgriff
5.2 Ermittlung der Bewegungsabweichungen des hydrostatisch geführten Pressenstößels bei Belastung durch Prozeßkräfte
5.3 Einfluß eines Umgriffs zur hydrostatischen Stößelführung auf das statische und dynamische Verhalten der Schneidpresse
5.3.1 Untersuchung des statischen Verhaltens bei hydrostatisch geführtem Stößel mit Umgriff
5.3.2 Ermittlung der Bewegungsabweichungen des hydrostatisch geführten Stößels mit Umgriff bei Belastung durch Prozeßkräfte
6. Einfluß einer Mehrgleitflächenlagerung der Hauptwelle auf das statische und dynamische Verhalten der Schneidpresse
7. Zusammenfassung
8. Literatur
9. Anhang