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EFB-Forschungsbericht Nr. 278

Regelungen des Werkstoff-Flusses in Niederhaltersystemen von Zieh- und Nachformwerkzeugen durch Piezo-Aktoren

EFB278.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Marko Schatz, Professur für Umform- und Urformtechnik am Institut für Formgebende Fertigungstechnik TU Dresden

96 Seiten (sw, 70 teilweise farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-312-7

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Der Inhalt dieses Forschungsvorhabens besteht in der Überprüfung einer möglichen Beeinflussung des Werkstoffflusses im Flanschbereich von Umformwerkzeugen durch den Einsatz von Piezoaktoren. Dabei soll nicht die gesamte erforderliche Niederhalterkraft durch die Piezoaktoren aufgebracht werden, sondern nur in ausgewählten Bereichen, der Gesamtniederhalterkraft lokal überlagert. Die konstruktive Lösung dieses Ansatzes erfolgt durch Druckplatten, die als separate Einsätze in der Matrizenplatte lokal auf den Bauteilflansch wirken.

Der Einstieg in diese Untersuchungen erfolgt an einem Ziehwerkzeug mit rechteckigem Stempel. Die Konstruktion des Werkzeugoberteils sieht den Einsatz der Piezoaktoren an drei Positionen vor. Nach anfänglichen Versuchen ohne Aktortechnik folgen systematische Untersuchungen mit wechselnden aktiven Druckplatten mit prozentual zur Gesamtniederhalterkraft höheren Kräften. Zur Versuchsauswertung werden die resultierend aus den Verfahrwegen der Piezoaktoren bestimmten Kräfte und die am Ziehteil gemessenen Flanschbreiten verwendet. Die Wirksamkeit der Piezoaktoren ist erst bei höheren Flächenpressungen und damit verbundener geringerer Faltenbildung prinzipiell nachweisbar. Die durch die Auswertung der Flanschbreiten festgestellten Tendenzen können ebenfalls mit den Ergebnissen der durchgeführten Simulationsrechungen belegt werden.

Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt der Einbau eines Aktormoduls in ein Praxiswerkzeug (Tankschalenwerkzeug), wobei ebenfalls ein kompletter Eckbereich als separater Einsatz ausgeführt wird. Die Versuchsdurchführung entspricht weitestgehend der am Rechteckwerkzeug. Die Auswertung der Flanschkonturen und der Aktor-Verfahrwege bzw. –Kräfte zeigt wiederum die Abhängigkeit der Wirksamkeit der Piezoaktoren von der Gesamtniederhalterkraft und der damit verbundenen Faltenbildung. Im Gegensatz zum Rechteckwerkzeug ist im Tankschalenwerkzeug eine systematische Beeinflussung des Werkstoffflusses durch die Variation der überlagerten Niederhalterkräfte feststellbar.

Die Möglichkeit der aktiven Steuerung des Werkstoffflusses im Flanschbereich durch die lokale Beeinflussung mit Piezoaktoren kann somit nachgewiesen werden.

Das Forschungsvorhaben „Regelungen des Werkstoffflusses in Niederhaltersystemen von Zieh- und Nachformwerkzeugen durch Piezo-Aktoren“ wurde unter der Fördernummer AiF 14443BR 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. 278 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The contents of this research project consist in the examination of a possible influencing of the material flow in the flange area of forming dies applying piezo-actuators. Thereby the entire required blankholder force should not be generated through the piezo-actuators but they should only be appeared in selected areas to superpose the total blankholder force locally. The constructive solution of this approach occurs through pressure plates which act locally on the specimen flange as separate inserts in the die plate.

The start of these investigations occurs at a tool with rectangular die (“rectangular tool”). The construction of the upper tool part plans the use of the piezo-actuators at three positions. According to the initial experiments without actuators, systematic investigations follow by changing the acting pressure plates and by several forces being percental higher than the total blankholder force. The forces resulting from the travel of the piezo-actuators and the flange lengths measured at the specimen are employed for evaluation of the experiments. The effectiveness of the piezo-actuators is in principle verifiable only at higher surface pressure and therefore associated with smaller wrinkles. The tendencies found by the evaluation of the flange lengths also prove by the results of the numerical simulation.

In the second part of the work, an actuator module has been mounted into an industrially used tool (fuel tank frame tool) where a complete corner arrea is carried out as a separate insert. The testing procedure largely corresponds to that at the “rectangular tool”. The analysis the flange outlines and the actuator travel and/or forces, in turn, shows the effectiveness of the piezo-actuators depending on the total blankholder forces and the associated wrinkling. Unlike the rectangular tool, a systematically influencing of the material flow is detectable in the fuel tank frame tool by the variation of the local superposed blankholder forces.

In conclusion the possibility of the active control by local influencing of the material flow in the flange area using piezo-actuators could be proved.

Inhalt

Symbolverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Tiefziehen – Bezeichnungen, Ziehvorgang, Verfahrensgrenzen
2.2 Möglichkeiten zur Steuerung des Werkstoffflusses
2.2.1 Starre Niederhaltersysteme
2.2.2 Werkzeuggebundene passiv-elastische Niederhaltersysteme
2.2.3 Werkzeuggebundene aktive Niederhaltersysteme
2.2.4 Maschinengebundene aktive Niederhaltersysteme
2.2.5 Gegenüberstellung der Niederhaltersysteme
2.3 Grundlagen der Piezotechnik
2.3.1 Piezoelektrischer Effekt
2.3.2 Eigenschaften und Berechnungsgrundlagen
2.3.3 Piezostapelaktoren
2.3.4 Anforderungen an die Konstruktion
2.3.5 Prinzipieller Aufbau der Steuerkette
2.3.6 Einsatzgebiete
3 Aufgabenstellung und Vorgehensweise
4 Anpassung der Ziehwerkzeuge
4.1 Versuchswerkzeug
4.1.1 Konstruktive Auslegung
4.1.2 Dimensionierung der Aktor-Technik
4.1.3 Verwendete Aktorik
4.1.4 Steuer- und Messtechnik
4.1.5 Versuchsdurchführung
4.1.6 Modellbildung zur Umformsimulation
4.2 Praxiswerkzeug Tankschalenwerkzeug
4.2.1 Werkzeugauslegung
4.2.2 Versuchsdurchführung
5 Untersuchungen am Versuchwerkzeug
5.1 Vorversuche mit Distanzblech
5.2 Verifizierung der Ergebnisse der numerischen Simulation
5.3 Versuchsauswertung
6 Untersuchungen am Praxiswerkzeug
7 Zusammenfassung
8 Literaturverzeichnis