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EFB-Forschungsbericht Nr. 270

Gleitziehbiegen von Profilen mit definierter variabler Längskrümmung

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Jürgen Rosenberger, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. Volker Ulbricht, Dr.-Ing. Dietmar Süße, Institut für Festkörpermechanik der Technischen Universität Dresden, Professur für Kontinuumsmechanik

141 Seiten (sw 113 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-303-5

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Durch die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Untersuchungen zum Herstellen variabel längsgekrümmter Profile wurde das Fertigungsverfahren Gleitziehbiegen um wichtige Erkenntnisse bezüglich der Möglichkeiten des Profilierprozesses erweitert. Dies kann zu einer stärkeren Verbreitung des bislang wenig etablierten Verfahrens Gleitziehbiegen beitragen. Grundlagen für die Prozessplanung

und Auslegung sowie zur Konstruktion der Umformwerkzeuge und des benötigten Antriebs wurden erarbeitet. Die Optimierung dieses Profilierverfahrens und damit eine Verbesserung hinsichtlich der sicheren Planung und der Beherrschbarkeit des Gleitziehbiegeprozesses werden sich weiterhin positiv auf eine weitere Verbreitung auswirken.

Mit Hilfe einer neu installierten Anlage ist man in der Lage, Hutprofile mit über der Längsachse veränderlichen Längskrümmungen zu erzeugen. Dabei besteht die Möglichkeit im Rahmen der Werkzeug- und Anlagendimensionen sowohl kontinuierlich vom Coil als auch diskontinuierlich mit Zuschnitten zu arbeiten. Eine Optimierung der Zuschnittsgeometrie hat mit Unterstützung der Simulation und

in Versuchsreihen stattgefunden. Die Simulation der Gleitziehbiegeprozesse mit dem System PAM-STAMP 2G liefert wichtige Informationen in der Phase der Werkzeugkonstruktion für das Werkzeug zur Herstellung von Hutprofilen sowie in der Darstellung des gesamten Verfahrensablaufes mit dem konzipierten Walzenantrieb mit integrierter Biegung.

Die Gestaltung des Walzenantriebes sollte in weiteren Forschungsvorhaben näher untersucht werden, da eine erste Pilotanlage noch nicht alle Untersuchungspunkte abdecken kann. Durch die Möglichkeit, in einem flexiblen Prozess kleine und mittlere Serien individuell konfigurierbarer Profile herstellen zu können, ist eine Verringerung der Herstellkosten für diese Art Profile zu erwarten.

Weiterhin werden durch die Einbringung definierter Längskrümmungen neue Anwendungsbereiche der Profiliertechnik erschlossen. Individuelle Profile können vor allem vor dem Hintergrund immer stärker ansteigender Umweltstandards beispielsweise im Fahrzeugbau zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten und damit zur Schonung von Ressourcen beitragen.

Durchgeführte Schmierstoffvariationen lassen weitere grundlegende Erkenntnisse zu. Aufgrund der lokal hohen Flächenpressungen an Kontaktstellen des einlaufenden Profils mit dem Werkzeug ist speziell dort mit erhöhtem Verschleiß an den Werkzeugen zu rechnen.

Neben dem Einsatz des Gleitziehbiegens mit der Möglichkeit der Einbringung von Profillängskrümmungen kommt auch der Einsatz von Gleitziehbiegestufen in einem Walzprofilierprozess in Frage. Diese Umsetzung findet im Rahmen der Integration einer Gleitziehbiegestufe in einen Walzprofilierprozess zunächst zur Herstellung eines C-Profils sowie zukünftig eines U-Profils statt.

Dies führt zur Substitution von kostenintensiven und stark verschleißanfälligen Werkzeugsätzen. Der Herstellprozess kann so flexibler und kostengünstiger gestaltet werden.

Mit diesem Forschungsvorhaben ist es erstmalig gelungen, eine Gleitziehbiegeanlage als Pilotanlage darzustellen, die im Gegensatz zur vorherigen translatorisch arbeitenden Gleitziehbiegeanlage durch den nunmehr vorhandenen Walzenantrieb auch eine kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht. Es kann sowohl vom Coil gearbeitet als auch Profilzuschnitte verwendet werden. Dabei ist es gelungen, eine Möglichkeit zur Einbringung definierter Längskrümmungen zu integrieren. Die Anlage ist mit vertretbarem Aufwand transportabel und kann vor Ort in einem gewissen Geometriespektrum Profile beliebiger Länge erzeugen, die je nach Wunsch mit einer definierten Längskrümmung versehen werden können.

Weiterhin ist es gelungen, durch die Berücksichtigung der Erfahrungen aus der Praxis, einer intelligenten Konstruktionsmethodik und nicht zuletzt der numerischen Simulation ein Werkzeug für Hutprofile in einem Zug zu konzipieren und zu bauen, welches qualitativ hochwertige Hutprofile erzeugt.

Das Forschungsvorhaben „Gleitziehbiegen von Profilen mit definierter variabler Längskrümmung“ wurde unter der Fördernummer AiF 14292N 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. 270 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Draw-Bending of profiles with selected variable lengthwise coving

The knowledge of the Draw Bending production technique has been greatly enlarged through this research project. This effects the cognition of the profiling process which will extend the application of this only little established production technique. Basic principles for process planning, mould design and dimensioning of the actuation have been developed. In this research project the optimisation of this profiling technique in combination with an improved process planning and a better handling of the Draw Bending Process has been realized. Due to this, a positive influence on an increasing distribution of this technique is expected.

With the new installation hat-shaped profiles with variable coving can be produced continuously by using a coil of split strip as stock feed. The operation with cut and prepared blanks is also possible. The geometry of the cut blanks was optimised by using the Finite Element Method simulation software PAM-STAMP. Simulation software was also used to collect information in order to an optimal mould design prediction.

The design of the actuation proved to be problematic by causing deranging processes in forming, which heterodynes the insertion of lengthwise coving.Due to the possibility of producing small and medium-sized series of individually customised profiles, decreasing costs are expected.

Furthermore the insertion of variable coving into profiles helps to make new applications for the Draw Bending Technique available. These techniques can be used to realise lightweight construction. Due to this fact, for instance in vehicle manufacturing, the Draw Bending can be helpful for a careful use of resources, which is very important by reason of more stringent ecological directives.

Studies conducted in variation of lubrication allowed to gain further basics. Because of the high contact pressure in the area of first contact between tool and entering blank, this region is vulnerable to increased wear.

The application of Draw Bending in a roll-forming process is another possibility to reduce costs in manufacturing of customised profiles. Thereby, expensive and wear susceptible roll-forming tools could be substituted by more flexible and more cost-efficient Draw Bending tools.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Profilgeometrien
2.2 Leichtbaukonzepte
2.3 Profilierverfahren
2.3.1 Kontinuierliche Profilierverfahren
2.3.2 Diskontinuierliche Profilierverfahren
2.3.2.1 Walzziehbiegen
2.3.2.2 Schwenkbiegen
2.3.2.3 Gesenkbiegen
2.3.2.4 Gleitziehbiegen
2.4 Profilbiegen
3 Ziel des Forschungsvorhabens
3.1 Angestrebte Forschungsergebnisse und Präzisierung der Aufgabenstellung
3.1.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse
3.1.2 Wirtschaftliche Ergebnisse
3.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
3.3 Arbeitsprogramm
4 Modifizierung der bestehenden Gleitziehbiegeanlage
4.1 Umkonstruktion der Versuchsanlage zur Umformung der vorgesehenen Blechdicken
4.2 Entwicklung eines Umformwerkzeugs zum Gleitziehbiegen von Hutprofilen
4.2.1 Zweistufiges Werkzeug für Hutprofile
4.2.2 Einstufiges Werkzeug für Hutprofile
4.2.2.1 Variante 1, Werkzeugaufbau durch direkten Profilübergang
4.2.2.2 Variante 2, Werkzeugaufbau nach Schnitten vom Walzprofilieren
4.3 Optimierung der Werkzeuggeometrie mit Hilfe der FEM-Simulation
4.3.1 Begleitende Simulationsrechnungen zur Auslegung des Werkzeugs sowie der Anlagentechnik
4.3.2 Freischneiden des Stempels (Wannenbildung)
4.4 Optimierung der Zuschnittsgeometrie mit Hilfe der FEM-Simulation
4.5 Untersuchung verschiedener Varianten des Antriebes
4.5.1 Variante 1: Räder am Flansch, kontinuierlich
4.5.2 Variante 2: Rollenantrieb, kontinuierlich
4.5.3 Variante 3: Antrieb am Profilboden, kontinuierlich
4.5.4 Variante 4: Räder an der Zarge, kontinuierlich
4.5.5 Variante 5: Spannzangen am Flansch (diskontinuierlich)
4.5.6 Variante 6: Diskontinuierlicher Vorschub durch Reibschluss (Selbsthemmung)
4.5.7 Variante 7: Diskontinuierlicher Vorschub durch formschlüssige Spannbacken
4.6 Theoretische Bewertung der Antriebsvarianten
5 Analytische Untersuchungen bisheriger Profile
5.1 Analytische Untersuchung bisher in Profile eingebrachter Längskrümmungen
5.2 Einflussparameter auf die Profillängskrümmung
5.2.1 Längskrümmungen offener und geschlossener Profile – Versagensfälle
5.2.2 Biegelinie und neutrale Faser
5.2.3 Profilbiegeverfahren
5.2.4 Dehnungsverteilung in längsgekrümmten Profilen
6 Erarbeitung von Möglichkeiten zur Einbringung gezielter Profilkrümmungen
6.1 Variation der Aktivelemente (Matrize mit definiert erzwungenem Blecheinlauf)
6.2 Veränderung der Kraftangriffsrichtung
6.2.1 Höhenverstellung des Ziehschlittens
6.2.2 Kippung der Werkzeugstufe
6.2.3 Flexible Stützstellen
6.3 Dreipunktbiegen über Walzenantrieb
6.3.1 Motor- und Antriebsvarianten
6.3.2 Antrieb und Biegung separat
6.3.3 Antrieb und Biegung kombiniert
7 Iterative Prozesssimulationen, Simulation Der Maschinensteuerung
7.1 Vorbemerkungen
7.2 Entwicklungsrechnungen Walzenantrieb für ein U-Profil
7.3 Entwicklungsrechnungen Walzenantrieb für ein Hutprofil
7.4 Weitere durchgeführte Untersuchungen
8 Umsetzung des Maschinenkonzepts, experimentelle Untersuchungen, begleitende Simulationen
8.1 Umsetzung eines Maschinenkonzeptes
8.1.1 Antriebs- und Biegewalzen
8.1.2 Gestelle für die Gesamtanlage und als Aufnahme für die Walzen
8.2 Werkstoffauswahl
8.3 Elektrische Ausführung und Steuerung
8.4 Durchführung von experimentellen Untersuchungen
8.5 Bestimmung der Prozessgrenzen
8.5.1 Profillängen und Zuschnitte
8.5.2 Herstellbare Profilgeometrien
8.5.3 Krümmungsradien und Reproduzierbarkeit
8.5.4 Einlaufverhalten
8.5.5 Schmierstoffe / Beschichtungen
8.5.6 Kräfte
8.5.7 Ziehgeschwindigkeit
9 Praxisanwendung
10 Zusammenfassung und Ausblick
11 Literaturverzeichnis
12 Abbildungsverzeichnis