Reimund Neugebauer (Hrsg.) Hydro-Umformung
Reimund Neugebauer (Hrsg.)
HydroUmformung Mit 240 Abbildungen und 17 Tabellen
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Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Reimund Neugebauer Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Str. 88 09126 Chemnitz, Germany
[email protected] Einbandbild: Unter Verwendung von Bildmaterial der Firma Siebenwurst Werkzeugbau GmbH Zwickau.
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ISBN-10 3-540-21171-3 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-21171-6 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Text und Abbildungen wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Verlag und Autor können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Satz: Digitale Druckvorlage des Herausgebers Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Einbandgestaltung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier
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Vorwort
Das vorliegende Buch Hydro-Umformung versteht sich als ein Angebot. Der Technologiebereich der wirkmedienbasierten Umformverfahren, dem die Hydro-Umformung zuzurechnen ist, hat sich in den letzten Jahren überaus dynamisch entwickelt. Basierend auf zumeist an Forschungseinrichtungen geleisteter Vorentwicklung und überwiegend in der industriellen Anwendung erfolgter Bestätigung hat speziell in Deutschland ein signifikanter Wissenszuwachs in diesem Verfahrenssegment stattgefunden. Know-how wurde dabei vorzugsweise in der konkreten Anwendung erarbeitet. Ergebnis- und Erkenntnisvermittlung fand bisher überwiegend im direkten fachlichen Austausch, insbesondere durch Tagungen und Veröffentlichungen in Fachzeitschriften statt. Eine in sich geschlossene, systematische Darstellung des Themas Hydro-Umformung, sowohl von Grundlagenwissen als auch von anwendungsorientierten Ergebnissen, fehlte bislang. Diese Lücke will das vorliegende Buch schließen. Es stützt sich dabei in seinem Inhalt im Kern auf die geleistete, mehr als zehnjährige intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit in diesem Themengebiet am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. Die dabei gesammelten Erkenntnisse und ausgewählte Ergebnisse, erzielt in Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie in den Bereichen der prozessorientierten Technologie, der Werkzeug- und Maschinentechnik sowie zum Systemengineering für die Hydro-Umformung bilden die Basis für den vorzugsweise anwendungsorientierten Inhalt zu diesem Buch. Durch die ergänzende Einbindung von verfahrensspezifischen Grundlagen kann es sowohl für den Praktiker als Nachschlagewerk oder Ideengeber als auch als Lehrbuch für den Studierenden oder Neueinsteiger von Nutzen sein. Die Autoren wählten hierbei eine bewusst erfahrungsorientierte Darstellung, untersetzt auch im Bildmaterial durch Beispiele aus konkreten Entwicklungsvorhaben. Das Buch konzentriert sich schwerpunktmäßig auf den Einsatz von Flüssigkeiten als Wirkmedium. Aus technologischer Sicht wird dem Aspekt der Betrachtung in Prozessketten – als dem entscheidenden Erfolgskriterium für eine effiziente Fertigung in der Umformtechnik – breiter Raum gewidmet. Dabei werden sowohl Prozessketten, ausgehend vom
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Vorwort
Rohr oder Hohlprofil als Halbzeug (bekannt als die klassische Technologie der Innenhochdruck-Umformung) als auch Prozessketten, ausgehend von ebenen Blechplatinen, betrachtet. Ergänzend erfolgt die Darstellung ausgewählter Verfahrensadaptionen, u.a. zur thermischen Hydro-Umformung und zur Verfahrensintegration, z.B. dem Fügen. Einen besonderen Wert für den Leser stellt sicher auch das umfangreiche Literaturverzeichnis des Buches dar, welches das eigenständige Fortführen und Vertiefen ausgewählter Aspekte erleichtert. Das vorliegende Buch entstand unter maßgeblicher Mitwirkung meiner jetzigen und früheren Mitarbeiter Dipl.-Ing. Volker Bahn, Dr.-Ing. Hans Bräunlich, Dipl.-Ing. Uwe Hausstädtler, Dipl.-Ing. Wilhelm Henning, Dipl.-Ing. Carsten Hochmuth, Dipl.-Ing. Michael Hoffmann, Dr.-Ing. Lutz Klose, Dipl.-Ing. Petr Kurka, Dr.-Ing. Lutz Lachmann, Dipl.-Ing. Thomas Lieber, Dipl.-Ing. Uwe Lorenz, Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Dr. rer. nat. Detlef Michael, Dr.-Ing. Steffen Noack, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Sebastian Ortmann, Dr.-Ing. Thomas Päßler, Dr.-Ing. Matthias Putz, Dr.-Ing. HansJürgen Roscher, Dipl.-Ing. Michael Seifert, Dr.-Ing. Andreas Sterzing und Dipl.-Ing. Matthias Weiser. Für die Koordination der Arbeiten am Buch und die redaktionelle Bearbeitung waren Frau Dipl.-Ing. Anja Schmieder und Herr Dipl.-Ing. Wolfram Altmann verantwortlich. Allen Genannten sowie den vielen Helfern bei der Entstehung dieses Buches danke ich für das gezeigte Engagement sehr herzlich. Chemnitz, im Juli 2006
Reimund Neugebauer
Autorenverzeichnis
Name
Anschrift
Dipl.-Ing. Volker Bahn
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Technische Universität Chemnitz Fakultät Maschinenbau Professur für Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik 09107 Chemnitz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Magnetto Automotive Deutschland GmbH Treuener Höhe 1 08233 Treuen Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz
Dr.-Ing. Hans Bräunlich Dipl.-Ing. Uwe Hausstädtler
Dipl.-Ing. Wilhelm Henning Dipl.-Ing. Carsten Hochmuth Dipl.-Ing. Michael Hoffmann Dr.-Ing. Lutz Klose Dipl.-Ing. Petr Kurka
Mitarbeit an Hauptkapitel 3, 4
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4
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VIII
Autorenverzeichnis
Dr.-Ing. Lutz Lachmann
Technische Universität Chemnitz Fakultät Maschinenbau Professur für Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik 09107 Chemnitz Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugThomas Lieber maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dipl.-Ing. ITW e. V. Chemnitz Uwe Lorenz Institut für Innovative Technologien Neefestraße 88 09116 Chemnitz Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugReinhard Mauermann maschinen und Umformtechnik IWU Nöthnitzer Straße 44 01187 Dresden Dr. rer. nat. Fraunhofer-Institut für WerkzeugDetlef Michael maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugSteffen Noack maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dipl.-Wirtsch.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugSebastian Ortmann maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugThomas Päßler maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugMatthias Putz maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugHans-Jürgen Roscher maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für WerkzeugMichael Seifert maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz
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Autorenverzeichnis Dr.-Ing. Andreas Sterzing Dipl.-Ing. Matthias Weiser
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz
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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung .............................................................................................. 1 1.1 Anliegen und Zielsetzung .1 1.2 Historischer Abriss .4 1.3 Anwendungspotenzial .9 2 Grundlagen............................................................................................ 15 2.1 Verfahrensspezifik..15 2.2 Fluidisches System .17 2.3 Kenngrößen ..19 2.4 Typische Versagensfälle..21 2.4.1 Rohre und Profile..21 2.4.1.1 Bersten..21 2.4.1.2 Falten ..22 2.4.1.3 Knicken ..23 2.4.2 Bleche ..24 2.4.2.1 Einschnüren und Bersten .24 2.4.2.2 Falten ..26 2.5 Tribologie ..27 3 Prozessgestaltung .................................................................................. 33 3.1 Bauteildesign ..33 3.1.1 Systematik der Bauteilgeometrie..33 3.1.2 Anforderungen an das Bauteil .38 3.1.3 Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung .39 3.1.4 Funktionsoptimierte Bauteile .44 3.2 Halbzeugeinsatz..46 3.2.1 Werkstoffe für die Hydro-Umformung .46 3.2.2 Rohre und Profile..52 3.2.2.1 Durchgängige Rohre und Profile..52 3.2.2.2 Konische Rohre .54 3.2.2.3 Abgesetzte Rohre..55 3.2.2.4 Gefügte Rohre und Profile..56 3.2.3 Blechzuschnitte..59
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3.2.4 Umformteile .62 3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen .64 3.3.1 Vorformen ..64 3.3.1.1 Technologischer Aspekt .64 3.3.1.2 Verfahrensvarianten .65 3.3.2 Hauptformgebungsprozess .71 3.3.2.1 Verfahrensvarianten .71 3.3.2.2 Prozessbeschreibung..77 3.3.2.3 Definition der Prozessparameter .80 3.3.2.4 Typische Prozesslösungen..84 3.4 Hydro-Blechumformung .90 3.4.1 Vorformen ..90 3.4.1.1 Einzelplatinen..91 3.4.1.2 Doppelplatinen .93 3.4.1.3 Gefügte Platinen .94 3.4.2 Hauptformgebungsprozess .96 3.4.2.1 Prozessbeschreibung..97 3.4.2.2 Berechnen und Abschätzen .99 3.4.2.3 Erläuterungen zu ausgewählten Prozessparametern..103 3.4.2.4 Verfahrensvarianten .104 3.4.2.5 Typische Prozesslösungen..108 3.5 Verfahrensadaption..118 3.5.1 Thermische Hydro-Umformung .118 3.5.2 Metallschaum in Hydro-Umformteilen .121 3.5.3 Verfahrensintegration .126 3.5.3.1 Schneiden und Lochen .126 3.5.3.2 Tiefziehen, Prägen und Biegen..130 3.5.3.3 Fügen ..134 3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung..141 3.6.1 Einsatzfelder und Systeme..141 3.6.2 Derzeitiger Stand und erreichte Ergebnisse..143 3.6.3 Handlungsbedarf und Entwicklungspotenzial .144 3.7 Qualitätssicherung .147 3.7.1 Erreichbare Genauigkeiten .147 3.7.2 Mess- und Prüftechnik..150 3.7.3 Schadens- und Fehleranalyse..153 3.7.4 Prozessmonitoring und Überwachungssysteme .155 3.7.5 Prozessregelsysteme .158 4 Werkzeugtechnik ................................................................................ 163 4.1 Werkzeugkonzepte .163 4.1.1 Dimensionierung .163
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4.1.1.1 Grundsätzliche Ausführungsvarianten .163 4.1.1.2 Werkzeugwerkstoffe..165 4.1.1.3 Wärmebehandlungsverfahren..168 4.1.1.4 Lage der Teilungsebene..169 4.1.1.5 Lokalisierung der Ax ial- und Radialzylinder .172 4.1.1.6 Andocksysteme..172 4.1.2 Belastung ..181 4.1.3 Berechnungsmethoden..184 4.1.4 Beschichtungen..189 4.2 Werkzeugfertigung und -wartung..190 4.2.1 Bearbeitungscharakteristik .190 4.2.2 Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen .191 4.2.2.1 Theoretische Vorbetrachtung .191 4.2.2.2 Bearbeitung eines Referenzteils .193 4.2.3 Wartung ..196 4.3 Tryout und Werkzeugerprobung..197 5 Maschinen............................................................................................ 203 5.1 Einordnung in das Anlagenkonzept..203 5.2 Übersicht...204 5.2.1 Funktionen .204 5.2.2 Prinzipieller Aufbau .206 5.2.3 Parameter ..207 5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)..209 5.3.1 Funktionen .210 5.3.2 Aufbauprinzipien .213 5.3.3 Kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Hydraulische Pressen..214 5.3.4 Formschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Verriegelter Stößel..219 5.3.5 Mehrfach-Anordnungen .229 5.4 Innendruckachse ..230 5.4.1 Aufbau und Funktionen .230 5.4.2 Druckerzeuger .234 5.4.3 Füllsysteme...237 5.4.4 Fluidaufbereitung..239 5.5 Axialachsen ..243 5.5.1 Aufbau und Funktionen .243 5.5.2 Hydraulische Steuerkette..248 5.6 Niederhalter ..251 5.7 Maschinensteuerung .255 5.7.1 Funktionen ..255
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5.7.2 Steuerungsarchitektur .257 5.7.3 Bedienkonzepte .260 6 Planung von Hydro-Umformprozessen ............................................ 265 6.1 Grundlegende Aspekte de r Planung von Hydro-Umformprozessen ..265 6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems..268 6.2.1 Hydro-Umformanlage .269 6.2.2.Hydroumform-Fertigungssysteme..271 6.3 Prozessplanung –Planungsbeispiele .272 6.3.1 Abgasbauteil als IHU-Doppelteil .272 6.3.2 IHU-Strukturbauteil als Space-Frame-Komponente .274 6.3.3 IHU-Bauteile als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger ..276 6.3.4 Hydro-Umformteile als Komponenten flächiger Karosseriestrukturen..277 7 Ausblick ............................................................................................... 281 Literaturverzeichnis .............................................................................. 283 Symbole................................................................................................... 297 Stichwortverzeichnis.............................................................................. 301
1 Einführung
1.1 Anliegen und Zielsetzung Die Hydro-Umformung, insbesondere die Innenhochdruck-Umformung (IHU), gilt heute als eine Fertigungstechnologie mit hoher industrieller Akzeptanz und großem Innovationspotenzial. Mit der Wahl der Bezeichnung Hydro-Umformung wird ein thematischer Überbegriff verwendet, der die großen Bereiche sowohl der Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Hohlprofilen als auch der Hochdruck-Blechumformung und alle in der Praxis auftretenden Verfahrensvarianten erfasst. Für die verschiedenen Verfahrensvarianten haben sich im allgemeinen Sprachgebrauch unterschiedliche Begriffe und Bezeichnungen eingebürgert. Zumindest für den Bereich der Innenhochdruck-Umformung hat der Unterausschuss „Wirkmedienbasiertes Umformen“ des Arbeitsausschusses „Begriffe der Fertigungsverfahren“ im Normenausschuss Technische Grundlagen auf der Basis der VDI-Richtlinien VDI 3146-1 und VDI 3146-2 begriffliche Definitionen und bildhafte Darstellungen erarbeitet [38]. An diesen begrifflichen Definitionen und bildhaften Darstellungen orientieren sich alle Bezeichnungen und bildhaften Darstellungen der im Buch Hydro-Umformung behandelten Verfahren bzw. Verfahrensvarianten. Dem IHU-Verfahren selbst liegt ein einfaches Prinzip zugrunde: Vorzugsweise rohrförmige, z.T. vorgebogene Halbzeuge werden in ein Werkzeug mit abzubildender Innenkontur eingelegt, das Werkzeug wird geschlossen, das Rohr oder Profil über vorwiegend axiale Dichtsysteme verschlossen, mit einer Flüssigkeit gefüllt und das Teil in zumeist einem Arbeitsschritt durch gesteuerten Aufbau eines Innendrucks im Halbzeug in die vorgegebene Form gedrückt. Zur Ausbildung bestimmter Formelemente kann dabei in Achsrichtung gezielt Material nachgeschoben werden. Nachdem in ersten Entwicklungsetappen (Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre) insbesondere unter aktiver Führungsrolle deutscher Unternehmen und Forschungseinrichtungen grundsätzliche Fragen der Machbarkeit und praktischen Nutzung geklärt wurden, die motivierend bei der Einfüh-
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1 Einführung
rung neuer Produkte über Prototypen bis zu ersten Serienanwendungen wirkten, stand in der zweiten Hälfte der 90er Jahre die breite industrielle Nutzung der Technologie mit progressiv wachsendem Anwendungsspektrum in Typenvielfalt und Produktionsvolumen im Vordergrund. In den nachfolgenden Jahren fand eine Konsolidierung im Anwendungsumfeld statt, beeinflusst durch den Übergang zu Fertigungssystemen mit geschlossenen Prozessketten und Turn-Key-Lösungen. Die aktuelle Anwendung als ein serieneingeführtes Verfahren findet unter starkem Wettbewerbsdruck alternativer klassischer Fertigungen insbesondere unter Kostenkriterien statt. Das Innenhochdruck-Umformen von Rohren, Profilen und Blechen ist in der aktuellen industriellen Praxis zu einem festen Bestandteil bei der Herstellung zahlreicher Bauteile und Komponenten sowohl im Automotive- als auch im Non-Automotive-Bereich geworden. Inzwischen ist ein signifikanter Erfahrungs- und Wissensschatz bezüglich der praktischen Anwendung in vielen Bereichen verfügbar. Der Darstellung und Vertiefung dieses Wissens ist dieses Buch gewidmet. Es wendet sich dabei sowohl an den Studierenden, indem es eine systematische Einführung und Darstellung der wesentlichen fachlichen Grundlagen und Aspekte dieser Technologie bietet, als auch an den bereits mit der Applikation befassten Ingenieur und Entwickler, indem insbesondere Erfahrungswissen aus Anwendung und Forschung nachvollziehbar aufbereitet und dargestellt wird. Im Hauptkapitel 2 – Grundlagen – werden neben der technologischen Spezifik des Verfahrens die wichtigsten Kenngrößen des Hydro-Umformprozesses sowie typische Versagensfälle dem Anliegen des Buches entsprechend ebenso behandelt wie die für die Hydro-Umformung wesentlichen Bereiche des fluidischen Systems und der Tribologie. Die Unterschiede zwischen der Innenhochdruck-Umformung von Rohren und Profilen (IHU) und dem Wirkmedienbereich Umformen von Blech, wie der Innenhochdruck-Blechumformung (IHB) und der Außenhochdruck-Blechumformung (AHB), werden aufgezeigt. Im Vergleich zur konventionellen Umformtechnik erzielbare umformtechnische und wirtschaftliche Effekte werden deutlich gemacht. Im Hauptkapitel 3 – Prozessgestaltung – wird, ausgehend vom Bauteildesign als einem im Technologiekonzept überaus relevanten Aspekt sowie der Halbzeugauswahl, vertiefend auf die typischen Prozesslösungen beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen einerseits und der HydroBlechumformung andererseits eingegangen. Dabei werden verschiedene Verfahrensvarianten nach den während der Umformung auftretenden Spannungen klassifiziert. Verfahrensadaptionen, wie die Nutzung der Temperatur als Prozessparameter beim thermischen Hydro-Umformen und
1.1 Anliegen und Zielsetzung
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Verfahrenskombinationen unter Einbindung weiterer Formgebungsprozesse, schließen sich in der Darstellung an. Stand, Bedeutung und Handlungsbedarf bei der Nutzung der Methode der Finiten Elemente (FEM) in der Simulation und Optimierung von IHU-Abläufen ergänzen dieses Kapitel. Abschließend werden Themen der Qualitätssicherung behandelt, u.a. Fragen des Monitoring beim Hydro-Umformen und die Fehler- und Schadensanalyse. Hauptkapitel 4 ist der Werkzeugtechnik gewidmet. Dies ist insbesondere notwendig, da das IHU als stark werkzeugbezogenes Verfahren zumeist komplexe Werkzeuge bzw. Werkzeugsysteme einschließlich aktiver Wirkelemente erfordert. Neben der Darstellung grundlegender Werkzeugkonzepte und Ausführungsvarianten von IHU-Werkzeugen werden in diesem Kapitel Fragen bezüglich der Berechnung, auftretenden Werkzeugbelastungen, der Nutzung von Werkzeugbeschichtungen bis hin zur Werkzeugfertigung, dem Tryout und der Werkzeugerprobung behandelt. Zur praktischen Umsetzung von IHU-Technologien sind komplexe Maschinen und Anlagen erforderlich. Die IHU-Anlage umfasst neben der Schließeinrichtung für das Werkzeug, zumeist eine Presse, insbesondere die Hochdruck- und Hydraulikeinheiten, die Steuerung, sowie vor- und nachgelagerte Handlingeinrichtungen und weitere Bearbeitungsstufen. Diesem Schwerpunkt, insbesondere der Maschinentechnik, widmet sich Hauptkapitel 5. Im Hauptkapitel 6 – Planung von Hydro-Umformprozessen – steht das Zusammenspiel von technischer Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit in den verschiedenen Etappen der Planungs- und Umsetzungsaktivitäten im Mittelpunkt. Ebenso werden Anlagenkonzepte für Fertigungssysteme unter Planungsaspekten dargestellt und bewertet. Das Hauptkapitel schließt mit der Darstellung konkreter Planungsbeispiele für IHU-Bauteile. Der Wert des vorliegenden Fachbuches wird ebenso durch das umfangreiche Literaturverzeichnis und das Stichwortverzeichnis erhöht, das dem Leser einen effektiven Zugriff auf den Inhalt und auf ergänzende Informationsquellen ermöglicht. Die Autoren hoffen, dass dieses Buch einen Beitrag zur weiteren Entwicklung, Verbreitung und effizienten Nutzung der IHU-Technologie leisten kann und wird.
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1 Einführung
1.2 Historischer Abriss Bei der Darstellung eines Überblicks zur Historie der Hydro-Umformung erscheint eine Trennung in zumindest zwei grundsätzliche Etappen der Entwicklung und Anwendung dieser Technik sinnfällig. Zum einen ist dies die als klassisch zu bezeichnende und parallel zur generellen Entwicklung der Umformtechnik als Wissenschaft in Theorie und Praxis und industrielle Technologie ablaufende Etappe der Nutzung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten bzw. in einem allgemeineren Sinne von nichtstarren Medien in verschiedenen technischen Anwendungen und technologischen Verfahrensvarianten. Als ein Startpunkt dieser Etappe ist sicher die Entdeckung des Prinzips der hydrostatischen Kraftübertragung durch Blaise Pascal in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts anzusehen. Zum anderen ist dies die neue Etappe der Entwicklung der HydroUmformung zu einer letztendlich akzeptierten, serienfähigen und in Großserie insbesondere auch im Automotive-Bereich angewandten modernen Umformtechnologie. Der Startpunkt dieser Etappe ist speziell in Deutschland Mitte der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts anzusetzen. Neue technisch-industrielle Anforderungen einerseits, so die gestiegene Bedeutung des Leichtbaus, andererseits aber auch zur Verfügung stehende neue technische Möglichkeiten, insbesondere durch die numerische Steuerungstechnik für Maschinen und Umformprozesse, führten zu einer überdurchschnittlichen dynamischen Entwicklung von Konzepten und Anwendungen der Hydro-Umformung in den letzten beiden Jahrzehnten. Etappe 1: Von den Anfängen bis zur Technologieoption Die technische Anwendung von Flüssigkeiten und die Nutzung des Prinzips der hydrostatischen Kraftübertragung war Bestandteil und z.T. Grundlage der technischen Entwicklung in Handwerk und Industrie zumindest über die letzten zweihundert Jahre. Bereits aus dem frühindustriellen England sind zentrale Druckwasserund Leitungssysteme bekannt, mit deren Hilfe auch der Antrieb von Maschinen erfolgte. Erste hydraulisch angetriebene Pressen vervielfachten das Potenzial erzeugbarer und nutzbarer Kräfte, insbesondere auch für diverse Umformoperationen [183]. Als Druckmedium wurde dabei anfänglich zumeist einfach Wasser genutzt. Inwieweit die Aussage stimmt, dass erstmals beim Auspressen von Pflanzenölen – das Leckwasser aus den wasserbetriebenen Presseinrichtungen verunreinigte das Öl – die Idee aufkam, eben dieses Öl auch als Druckmedium zu benutzen, ist quellenmäßig nicht hinterlegt, erscheint je-
1.2 Historischer Abriss
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doch als eine durchaus mögliche und sinnfällige Option im Erkenntnisprozess. In diesen ursprünglichen Anwendungen der Hydrostatik liegt jedoch der Schwerpunkt einzig in der Erzeugung und Übertragung von Kräften durch Flüssigkeiten. Die medienführenden Elemente, insbesondere Rohrleitungen und Zylinder, dürfen sich dabei für eine sichere Funktion des Systems nicht verformen, d.h. sie sind als starr bzw. nur in zulässigen Grenzen elastisch zu betrachten. In einem Umformprozess sind bleibende, d.h. plastische Formänderungen das Ziel. Die umformende Kraft muss die Fließspannung des Werkstoffs überwinden, um eine bleibende neue Form auszubilden. Die Anwendbarkeit von Flüssigkeiten zur Umformung von sowohl rohrförmigen als auch ebenen Halbzeugen wurde dabei bereits frühzeitig erkannt. Erste Anwendung fand das Verfahren vor allem bei der Erzeugung und beim Biegen von Rohrstücken [118]. Belegbar ist, dass die Erfindung des hydromechanischen Tiefziehens, das der wirkmedienbasierten Blechumformung zugerechnet wird, mutmaßlich ihre Ursprünge in Deutschland hat. 1886 meldete Erdmann Kircheis aus Aue/Sachsen ein Patent für eine „Hydraulische Stanze für Blechwaren“ [28] an, dessen Verfahrensbeschreibung in vielen Merkmalen der Definition des hydromechanischen Tiefziehens entspricht. So wird im PatentAnspruch festgehalten, dass „eine Flüssigkeit entweder als eigentliche Matrize oder Patrize angewendet wird“. Die Anlage verfügte über einen Wasserkasten und ein Regelungsventil. Neben dem Wirkmedium selbst war in dieser ersten Entwicklungsetappe zumeist das erreichbare, sicher bereitstellbare bzw. technisch realisierbare Druckniveau eine noch begrenzende Größe. Betrachtet man die Hydro-Umformung als eines der Verfahren der Umformung durch nichtstarre Medien, zu denen neben Flüssigkeiten auch Gase und im weiteren Sinne auch granulierte Feststoffe und Ähnliches zu zählen sind, bieten das zur Anwendung kommende Wirkmedium und das nutzbare Druckniveau Spielräume für weitere Technologievarianten. Insbesondere die Explosivumformung, d.h. das impulsartige Aufweiten bzw. Umformen durch eine im Gas erzeugte Schockwelle, ist hierbei als eine Art Vorläufer der späteren Hydro-Umformung anzusehen. Neben dem positiven Aspekt der Nutzung des geänderten Verhaltens des umzuformenden Werkstoffs bei Hochgeschwindigkeit sind kurzzeitig sehr hohe Drücke zur plastischen Umformung technisch relativ effizient erzeugbar. Der den Einsatz dieses Verfahrens begrenzende Nachteil liegt darin, dass der Druckaufbau überwiegend ungesteuert und nach Auslösung des Prozesses nicht beeinflussbar abläuft. Es ist anzumerken, dass speziell dieser Aspekt – die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Wirkdrucks und die Synchronisation
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1 Einführung
mit den weiteren prozessbestimmenden Kraftwirkungen – ein entscheidendes Kriterium bei der Weiterentwicklung und breiten Anwendung der Technologie der Hydro-Umformung dargestellt hat bzw. darstellt. Nach dem Zweiten Weltkrieg erhielt die Hydro-Umformung neue Entwicklungsimpulse [24]. In das Jahr 1957 fallen wesentliche wissenschaftliche Veröffentlichungen von Panknin, der das hydromechanische Ziehverfahren eingehender untersuchte und weiterentwickelte [114]. Parallel wurden erfolgreich und immer intensiver Überlegungen angestellt, die Vorteile des Verfahrens in Anwendungen zu nutzen. In den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts erhielt die Hydro-Umformung neuen Rückhalt und Stärkung, insbesondere durch die Entwicklung zugeschnittener Fertigungseinrichtungen wie z.B. hydraulischen Pressen für die Herstellung von T-Fittings in Vielfachformen [117, 118]. Anfang der 70er Jahre wurde dieses Bauteilsortiment im Kupfer-, Messing- und Edelstahlbereich durch das Fertigen zahlreicher Sanitärarmaturen ergänzt. Das deutsche Unternehmen Schirmer + Plate GmbH (nach dem Zusammenschluss mit der G. Siempelkamp GmbH seit 1982 G. Siempelkamp GmbH & Co. KG) stieg 1965 in den Bau von Anlagen für die wirkmedienbasierte Umformung ein [132], mit denen Fittings aus weichen Materialien wie Kupfer produziert werden konnten, und war damit einer der ersten IHU-Anlagenhersteller [31]. Fittings und ähnliche durch IHU gefertigte Teile dominierten zunächst, weil sich hier der technologische Schwierigkeitsgrad in Grenzen hielt und der Verfahrensablauf auch über empirische Methoden zu bestimmen war. Bauteile derartiger Formen wurden durch IHU in der Folgezeit, möglicherweise auch nach unabhängiger Entwicklung, in mehreren Ländern produziert, wobei eine Ausdehnung auf Halbzeuge aus harten Werkstoffen wie Stahl und größere Teile (Teile für Anlagenbau) gelang. Liquid bulge forming war in diesem Zeitraum der englische Fachbegriff für das Verfahren. Anwendungen für kompliziertere Werkstücke scheiterten weiterhin an nicht verfügbarer Steuerungstechnik sowie am Fehlen einer praktikablen numerischen Simulation. Neben Aktivitäten in Deutschland erfolgten etwa zur gleichen Zeit auch in Japan [72, 125, 133] sowie in der damaligen Sowjetunion erste industrielle Entwicklungen und Anwendungen von Verfahrensvarianten der Hydro-Umformung. In Japan wurde das Verfahren, benannt hydro punch und bulge forming (Ausbauchen), insbesondere zur Fertigung von FahrradBauteilen, jedoch auch bereits zum Herstellen von Rohrelementen und Automobilbauteilen angewendet. Eine wesentliche Veröffentlichung japanischer Ingenieure zum IHU von Rohren erschien 1968 [111]. Im Gebiet des ehemaligen Rates für Gegenseitige Wirtschaftshilfe (RGW-Comecon), das vor allem die sozialistischen Staaten in Mittel- und Osteuropa umfasste, waren Aktivitäten im Bereich der wirkmedienbasierten Umformung zu
1.2 Historischer Abriss
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verzeichnen, deren Schwerpunkte in der Sowjetunion lagen. Dort dürfte spätestens seit Anfang der 70er Jahre an diversen Projekten gearbeitet worden sein, wobei auch theoretischen Belangen recht breiter Raum eingeräumt wurde. Intensiv untersuchte man in der Sowjetunion das hydromechanische Tiefziehen, dabei kann auch von Serienanwendungen ausgegangen werden [22, 174]. In der DDR wurden Forschungen zum Thema seit Mitte der 70er Jahre geleistet, wobei eine Konzentration auf das Aufweiten bzw. Ausbauchen von Rohren festzustellen ist [32, 191]. Relativ zeitig machte man entsprechende Überlegungen in der Tschechoslowakei, wo bereits 1964 eine Veröffentlichung zur Fertigung hohler Achsen für Schienenfahrzeuge festzuhalten ist [167]. Später wurden dort auch Untersuchungen zur hydraulischen Rohraufweitung durchgeführt [176]. In dieser Zeit wurden noch relativ wenige Anlagen speziell für die wirkmedienbasierte Umformung gebaut, sie trugen zumeist den Charakter von Sondermaschinen. Eine gewisse Ausnahmestellung nahmen die „Quintus“Membran-Hochdruckpressen ein, die auf eine Entwicklung eines ABBVorläuferunternehmens zurückgingen. Hier wurden bereits seit den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts stetig Anlagen zur Blechumformung an Kunden geliefert (zwischen 1970 und 1989 nach Firmenangaben über 70 Quintus-Hochdruckpressen), von denen ein beträchtlicher Teil der Luftfahrtindustrie zuzurechnen ist [55]. In diesen Zeitraum fällt auch die industrielle Einführung der wirkmedienbasierten Umformung mit Hilfe von Gasdruck und hohen Verfahrenstemperaturen von bis zu 1.000 ºC, wobei die Hauptanwender des Verfahrens bis heute ebenfalls im AerospaceSektor zu finden sind. Diese Technologie ermöglicht vor allem bei der Verwendung von superplastischen Legierungen extreme Umformgrade. Neben der Einheit zur Bereitstellung des zur Umformung erforderlichen Hochdrucks und der Schließeinrichtung zur Erzeugung der Zuhaltekräfte am Werkzeug erforderte die Ausformung komplexer Konturen an IHUBauteilen zusätzlich gesteuerte Antriebsbewegungen im IHU-Werkzeug, insbesondere das Aufbringen von Axialkräften für die Erzeugung axialer Druckspannungen am Werkstück. Die hierfür erforderliche hydraulische Antriebstechnik sowie neue numerische steuerungstechnische Lösungen in Hard- und Software standen etwa ab Mitte der 80er Jahre bereit. Der massive Bedarf der Industrie, hauptsächlich der Automobilindustrie, an neuen technologischen Fertigungslösungen für komplexe Bauteile in Leichtbauausführungen stellte die Grundlage für die zweite, dynamische Etappe in der Entwicklung der Hydro-Umformung dar.
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1 Einführung
Etappe 2: Von einer Nischentechnologie zum Serienkonzept im Automobilbereich Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre wurden dem Umformen durch Innendrücke mit großer Intensität immer neue Anwendungsgebiete in unterschiedlichen Industriebereichen, insbesondere jedoch in der Automobilindustrie erschlossen. Eine neue Qualität wurde in der wirkmedienbasierten Umformung um 1990 erreicht, als sich für die aufgestauten Probleme in der Steuerungsund Simulationstechnologie praktikable Lösungen abzeichneten. In der Folge wurde eine Vielzahl von Aktivitäten in Forschung und Industrie ausgelöst, die gegen Ende des Jahrzehnts einen ersten Höhepunkt erreichten. In der Zwischenzeit waren die komplexen Vorgänge vor allem in der Innenhochdruck-Umformung so weit verstanden, dass kompliziertere und rentable Anwendungen für die Serienfertigung möglich und verstärkt Anlagen zur wirkmedienbasierten Umformung von Rohren und Profilen in Betrieb genommen wurden. Beispiele hierfür sind die 1990 bei GSA (Gesenkschmiede Schneider Aalen) weltweit erste automatisch arbeitende IHU-Anlage oder auch das im BMW-Werk in Dingolfing seit 1994 arbeitende automatische IHU-Fertigungszentrum. Die Anlagen wurden nunmehr auch mit Automatisierungstechnik wie Magazinbeschickung, Industrierobotern und Werkzeugwechselsystemen ausgestattet. In die Gesamtkonzeptionen wurden automatische Einrichtungen eingebunden, die die gesamte Prozesskette, somit auch das Vor- und Nachbearbeiten der Rohrhalbzeuge, bestehend aus Vorformeinrichtungen und Biegemaschinen, Vorrichtungen zum Beschneiden, Lochen und Prüfen integrierten. Neben Problemen der Simulation und der aktiven Prozesssteuerung rückten fortan Untersuchungen zur wirkmedienbasierten Blechumformung stärker in den Mittelpunkt der Überlegungen. Perspektivisch wird dabei eine sinnvolle partielle Substitution und Ergänzung zur klassischen Blechumformung mit mechanischen und hydraulischen Tiefzieh-Pressen angestrebt. Ein augenfälliger Kristallisationspunkt der wirkmedienbasierten Umformung in Forschung, Entwicklung und auch in der Produktion wurde Deutschland. Diese Tatsache wird der Gegenwart großer Hersteller für Umformtechnik, deren Produkte überwiegend im Hochpreissegment angesiedelt sind, zahlreicher produktionstechnischer Institute sowie weltweit führender Unternehmen des Automotive-Sektors geschuldet sein, die das vielfältige Potenzial der wirkmedienbasierten Umformung erkannten und mannigfaltige Bestrebungen für eine Evolution unterstützen. Als treibende Kraft und wichtigster Abnehmer von Technologien der wirkmedienbasierten Umformung erwiesen und erweisen sich dabei die Automobilindustrie, deren Zulieferer und die Luftfahrtindustrie.
1.3 Anwendungspotenzial
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Parallel zur Entfaltung der wirkmedienbasierten Umformung wurden neue Bezeichnungen für Varianten des Verfahrens kreiert, wobei in diesem Prozess Marketing-, Abgrenzungs- und Patentaspekte eine Rolle gespielt haben dürften. Im englischen und amerikanischen Sprachraum wird dagegen seit den frühen Tagen des Verfahrens fast ausnahmslos der Oberbegriff Hydroforming verwendet, der trotz anders lautender VDI-Normungen zunehmend auch in deutschsprachige Publikationen eindringt. Gegenwärtig produzieren rund 20 Unternehmen aus Westeuropa, Japan und den USA diverse Maschinentypen für die Hydro-Umformung von Rohren, Profilen und Blechen. Nach den Boomjahren ist seit der Jahrtausendwende eine gewisse Konsolidierung festzustellen, deren Ursachen diskutiert und die durch Verfahrensverbesserungen abgestellt werden müssen, um weitere Anwendungsbereiche zu erschließen.
1.3 Anwendungspotenzial Versehen mit dem Bonus einer Fertigungstechnologie mit hohem Innovationspotenzial und überdurchschnittlich gewachsener industrieller Akzeptanz hat sich die Hydro-Umformung in den letzten zwanzig Jahren einen beachtenswerten Platz unter den in der Praxis angewandten Umformtechnologien erobert. Einerseits gestützt durch Ergebnisse von Grundlagenuntersuchungen und anwendungsorientierten Entwicklungen im Bereich der Forschung, andererseits gestärkt durch eine Vielzahl realisierter Bauteillösungen im Prototypenbereich und insbesondere in der Serienfertigung bietet sich bereits umfangreiches Know-how zur Fortsetzung dieser Tendenz und für weitere, neue Anwendungen an. Verfahren der Hydro-Umformung haben vor allem in der Fahrzeug- und Automobilzulieferindustrie einen hohen Stellenwert. Abgasteile, Trägerstruktur- und Karosserieelemente, hergestellt in großen Stückzahlen durch Hydro-Umformung, ermöglichen Energie- und Materialeinsparungen durch Leichtbau, ersparen Fügeoperationen wie z.B. Schweißen, ermöglichen die Umsetzung anwendungsoptimierter Formen und neuer Designerideen. Die Integration von Fügeoperationen und das gleichzeitige Lochen in Verbindung mit dem Hydro-Umformvorgang bewirken zusätzliche Vorteile. Bei geeigneter Verfahrensfolge entstehen einbaufertige Bauteile ggf. bereits in einem Fertigungsschritt, wobei technische und wirtschaftliche Vorteile durch Verringerung der Anzahl von Einzelteilen und notwendiger Fügestellen erschlossen werden.
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1 Einführung
Im Automotive-Bereich lassen sich schwerpunktmäßig vier Bauteilklassen als Anwendungspotenziale für die Hydro-Umformung definieren: Abgasbauteile − hergestellt vorwiegend aus rost- und hitzebeständigen Edelstählen − charakterisiert durch kleinere Bauteilvolumina, aber komplexe, dreidimensionale Formen, häufig zusätzlich in verzweigter Ausführung (Aushalsungen in T-und Y-Form) − integrative, doppelwandige Strukturen, z.B. bei luftspaltisolierten Abgasbauteilen Fahrwerkbauteile − hergestellt vorwiegend aus klassischen bis höherfesten Stählen, z.T. auch aus Aluminium − gekennzeichnet durch kleine bis mittlere Bauteilvolumina − häufig in Kombination mit komplexen Vorformoperationen (Biegen entlang der Achse sowie Querschnittsänderungen) − die Anforderungen liegen in der geringen Bauteilmasse bei maximaler Steifigkeit Struktur- und Karosseriebauteile − gefertigt sowohl aus klassischen bis höherfesten Stählen als auch aus Aluminiumlegierungen − zumeist mittlere bis extrem große Bauteil- bzw. Füllvolumina, zusätzlich sind häufig komplexe Vorformoperationen erforderlich − Bauteile weisen eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht auf und zeichnen sich durch gutes Crashverhalten aus Blechbauteile − Anwendung der Hydro-Umformung von Einzelblechen in verschiedenen Verfahrensvarianten und Kombinationen − verschiedenartige Ansätze und Prototypen sind auch als DoppelplatinenAnwendungen existent, derzeit jedoch noch wenig serienrelevant und zumeist im Prototyp- bzw. im Entwicklungsstadium; u.a. ungelöste Probleme bei gezieltem Werkstofffluss während der Hydro-Umformung (Dichten und Nachführen in einem Vorgang) − potentielle Bauteile sind verschiedene Klappen (Motorhaube, Heckklappe), Dächer, Säulen sowie Kraftstofftanks Die für die Hydro-Umformung typische Verringerung der Anzahl von Einzelteilen ist insbesondere bei Abgasanlagen und Strukturelementen hervorzuheben, wenn die Grundelemente mit dieser Technologie gefertigt werden. Erhöhte Maßgenauigkeit, verringerter Montageaufwand und bes-
1.3 Anwendungspotenzial
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sere Nutzungseigenschaften der Produkte treten in Erscheinung. Die Schwerpunkte Abgasanlagen und Fahrwerksteile bestehen heute als etablierte Marktpotenziale für Anwendungen der Hydro-Umformung, wovon ein breites Produktspektrum seit Jahren in Serie produziert wird. Bei Strukturelementen und Karosseriebauteilen für Kraftfahrzeuge, hergestellt sowohl aus Rohrhalbzeugen als auch aus ebenen Blechen, stellt sich die Lage differenzierter dar. Hier eröffnet sich der Markt erst mit der konkreten, anwendungsfallbezogenen Bauteil- und Prozesslösung. Dabei sind immer noch bestehende klassische Design- und Konstruktionsprinzipien in der Bauteilentwicklung zu überwinden. Legende Stand der Technik Stand der Forschung Offenes Potenzial
Dach Quer- und Längsträger Abgassystem Motorhaube, Heckklappe, Türen
Fahrwerk
A-, B-, C-Säule Nockenwelle
Abb. 1.1. Hydro-Umformanwendungen und Bauteil-Potenzial im Automobil (Auswahl)
Bei der Entwicklung und Realisierung von Fertigungskonzepten für Fahrzeugkomponenten mit Technologiekonzepten der Hydro-Umformung sowohl von Rohren/Hohlprofilen als auch von ebenen Blechen ist daher ein wichtiger Aspekt die Einbindung der gesamten Prozess- und Wertschöpfungskette in den Lösungsansatz – vom Werkstoff über das Halbzeug zum Umformteil bzw. Bauteil bis hin zur kompletten gefügten Baugruppe. Abbildung 1.1 zeigt eine Übersicht und Einschätzung zum hierbei erreichten Stand. Dargestellt wird insbesondere der Reifegrad im Anwendungsniveau der Hydro-Umformung. Einzuschätzen ist, dass häufig stark individuelle, erfahrungsgebundene Schwerpunkte bei der Entscheidungsfindung zwischen den Technologievarianten im Vordergrund stehen, um bei der Lösung konkreter Aufgabenstellungen den spezifischen Entwicklungsaufwand und das ergebnisorientierte technologische und wirtschaftliche Risiko einzugrenzen.
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1 Einführung
Neue Impulse für Anwendungsvorteile dieses Verfahrens ergeben sich aus der Nutzung der Hydro-Umformung in Anwendungen der Fügetechnik. Hier sind u.a. die bekannten unterschiedlichen Varianten der Herstellung von Leichtbaunockenwellen zu nennen. Ebenso erweitert die Nutzung thermischer Verfahrensvarianten den Anwendungsbereich der Hydro-Umformung, insbesondere bei Nichteisenmetallen wie z.B. Magnesium. Diese Technologiesegmente, auch in Verfahrenskombination, sind insgesamt als noch stark entwicklungsgeprägt und nicht abgeschlossen zu betrachten. Im Non-Automotive-Bereich ist das Bauteilspektrum für die Innenhochdruck-Umformung traditionell im Bereich medienführender Teile im Leitungsbau in breitester Ausrichtung angesiedelt. Das Anwendungsfeld wird vorwiegend durch Formen aus dem Sanitär- und Wärmetechnikbereich sowie aus der Möbel- und Beschlägeindustrie geprägt. Klassische Formen sind Rohrelemente, insbesondere Verzweigungen. Neuere Entwicklungen gibt es auch hier im Bauteil-Bereich von Verteilerstrukturen, so genannten Verteilerbalken, beispielsweise bei der Ablösung von Strangpressprofilen durch leichtere und kostengünstigere Halbzeuge aus Rohrabschnitten. Auch hier erweitern Verfahrenskombinationen das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung. Beispielhaft seien das Lochen und das Aushalsen bzw. Kragenziehen genannt. Im Non-Automotive-Bereich existiert ein schon langjähriger und als permanent zu kennzeichnender Trend bei der Suche nach neuen Anwendungen für die Hydro-Umformung. Dieser Trend verstärkte sich zusätzlich durch den Aufschwung des Verfahrens im Automotive-Bereich. Unterschiedlichste Teilegruppen und Formen wurden dabei zwar als technologisch grundsätzlich durch Hydro-Umformung herstellbar definiert, aber z.T. aufgrund zu geringer Stückzahlen bzw. zu geringer signifikanter, insbesondere kostenseitiger Vorteile gegenüber klassischen Verfahren nicht in praktische Anwendung gebracht. Das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung ist somit nicht allein an der Machbarkeit von Geometrieformen darstellbar. Die praktische Nutzung dieses Verfahrens, speziell in der Serienfertigung hat auch bekannte Schwachstellen der Technologie zu berücksichtigen. Zu nennen sind insbesondere: − relativ lange Zykluszeiten beim IHU-Vorgang für Einzelbauteile im Vergleich zu traditionellen Blech-Umformprozessen − häufig noch bestehende Wissensdefizite sowohl seitens der Entwickler als auch der Anwender bzgl. gesicherter Typenprozesse und allgemeingültiger Erfahrungswerte − relativ hohes erforderliches Investitionsvolumen für Anlagentechnik, z.T. auch für die Werkzeuge
1.3 Anwendungspotenzial
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Die erforderlichen Investitionen und Betriebskosten für IHU-Anlagen sind für potentielle Anwender ausschlaggebende Faktoren für die Anwendung dieser Technologie und bergen besonders beim Neueinstieg in das Verfahren vorab schwer kalkulierbare Risiken. Ein wesentliches wirtschaftliches Kriterium ist die Senkung der Werkzeugkosten bei der Hydro-Umformung durch Integration von Bauteilen und Fertigungsabfolgen. Die potentielle Senkung der Werkzeugkosten ist als Summe des reduzierten Aufwandes in Werkzeugentwicklung, Werkzeugherstellung und Tryout zu sehen. Das Potenzial zur Anwendung von Hydroumform-Lösungen wird wesentlich durch die Beantwortung folgender Fragen bestimmt: − − − −
Herstellbarkeit des Bauteils (Machbarkeitsaspekt) erreichbarer Integrationsfaktor (Bauteilanzahl, Funktionalität) Serienrelevanz hinsichtlich Stückzahl und Wirtschaftlichkeit erforderliche Bauteileigenschaften (Genauigkeit, Masse, Werkstoffeinsatz, Funktionsverhalten)
Das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung erfährt durch neue Entwicklungen im Verfahrens-, Werkstoff- und Anlagenbereich ständig Innovationsschübe und Erweiterungen, gerichtet sowohl auf die einfache Substitution anderer Fertigungskonzepte als auch auf grundsätzlich neue Gebiete. Die letztendlich entscheidende Kostenfrage kann u.U. durch Innovationen in jedem der Teilbereiche der Prozesskette neu definiert werden. Neue Entwicklungstendenzen hinsichtlich Werkstoff und Halbzeug ergeben sich durch: − Variantenvielfalt im Werkstoffeinsatz als generelle fertigungstechnische Tendenz − wachsende Anteile von Werkstoffen mit hochwertigen Funktionseigenschaften, jedoch z.T. spezifischen Technologieanforderungen in der Verarbeitung bzw. Umformung − Flexibilisierung des Halbzeugs bezüglich einer Funktions- und Prozessoptimierung Insgesamt ist die Auswahl der zum Einsatz kommenden Rohr- oder Blechhalbzeuge ein wesentliches, im Entwicklungsablauf frühzeitig und aufgrund einer begründeten Technologieabschätzung vorzunehmendes Element. Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte werden z.B. auf neue Integralbauteile gesetzt, die Design und Funktion noch besser verbinden. Hierbei spielen insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile und Bauteile mit enger Formeingrenzung durch reduzierte Einbauräume eine Rolle.
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1 Einführung
Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Entwicklung neuer Konzepte, um hydro-umgeformte Bauteile mit den angrenzenden bzw. zu komplettierenden Teilen zu verbinden. Laschen, Flansche und Montageflächen sowie innere Stützen wie bei Blech- und Schalenformteilen sind in rohr- oder profilbasierten Bauteilen zumeist nicht verfügbar. Zusätzliche Schweißoperationen in der Montage können die Gesamtkonzeption der Anwendung hinsichtlich des erforderlichen Aufwands negativ beeinflussen und Probleme z.B. durch den zusätzlichen Wärmeeintrag erzeugen. Dies fällt besonders im Karosseriebau ins Gewicht. Hier werden Space-FrameLösungen derzeit zumeist nur mit Hilfe von Gussknoten oder durch stumpfes Schweißen möglich. Vereinzelt verfügbare Lösungen zeigen aber bereits Möglichkeiten auf, derartige Verbindungselemente auch als hydroumgeformte Bauteile zu realisieren. Neben dem Einsatz von höherfesten Stählen und geschlossenen Profilen in tragenden Fahrwerkskonstruktionen, die enorme Fortschritte im Leichtbau ermöglichten, werden ebenso Wege zur weiteren Massereduzierung durch den Einsatz anderer Werkstoffe gesucht. Im Vordergrund stehen hierbei Aluminium und Magnesium. Auch Werkstoffverbunde sind prinzipiell als Hydro-Umformapplikationen denkbar. Aus dem Einsatz derartiger alternativer Werkstoffe erwachsen jedoch gesteigerte Anforderungen an den Umformprozess. Aluminium und insbesondere Magnesium weisen wesentlich schlechtere Formgebungseigenschaften auf. Bisher werden durch Hydro-Umformung überwiegend Aluminiumstrangpressprofile durch Kalibrieren (minimale Umformgrade) montagefähig genau ausgeformt. Um vergleichbare Umformgrade wie bei den konventionellen Werkstoffen zu erhalten, laufen Untersuchungen zur Warmumformung mit flüssigen und gasförmigen Wirkmedien.
2 Grundlagen
2.1 Verfahrensspezifik Das Innenhochdruck-Umformen (IHU) wird den Umformverfahren zugeordnet, die auf der Nutzung flüssiger Wirkmedien beruhen. Dabei ist zwischen dem Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen (IHU) und dem Wirkmedienbereich Umformen von Blech zu unterscheiden, wobei hierfür verschiedene Bezeichnungen wie Innenhochdruck-Blechumformung (IHB), Hochdruck-Blechumformung (HBU) oder Außenhochdruck-Blechumformung (AHB) Verwendung finden. Die Ausgangshalbzeuge werden bei beiden Verfahrensvarianten mit Hilfe eines flüssigen, in einem Hohlraum wirkenden Mediums umgeformt [126]. Unter Einwirkung eines hydrostatischen Drucks sowie äußerer mechanischer Belastungen wird das Ausgangshalbzeug an der Innenfläche eines umgebenden Formwerkzeugs zur Anlage gebracht [29]. In Abb. 2.1. ist das Prinzip des Innenhochdruck-Umformens von Rohren bzw. Profilen dargestellt. Fschließ Oberwerkzeug Axialstempel Faxial
pi
Faxial
Halbzeug Unterwerkzeug
Abb. 2.1. Prinzip des Innenhochdruck-Umformens nach [126] Axialkraft Faxial Fschließ Schließkraft
Dabei wird ein gerades oder z.B. durch Biegen vorgeformtes Halbzeug in die untere Werkzeughälfte eines aus Ober- und Unterwerkzeug bestehenden Formwerkzeugs eingelegt. Die beiden Werkzeughälften werden geschlossen. Mit Axialstempeln werden die Rohr- bzw. Profilenden abge-
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2 Grundlagen
dichtet und das Halbzeug z.B. mit einer Öl-in-Wasser Emulsion (nach VDMA 24317) gefüllt. Gleichzeitig wird der für die Umformung erforderliche Innendruck pi aufgebaut. Durch entsprechendes Nachschieben der axialen, von Hydraulikzylindern angesteuerten Stempel (Faxial) kann der Umformzone parallel dazu zusätzlicher Werkstoff zugeführt werden. Durch die damit verbundene Überlagerung von Druckspannungen lassen sich wesentlich höhere Formänderungen bzw. Umformgrade als bei Umformoperationen erreichen, die auf reinen Zugspannungen basieren. Mit einer weiteren Zunahme des Innendrucks beginnt der Werkstoff zu fließen und das Halbzeug wird an die Innengravur des Umformwerkzeugs angelegt. Mit dem am Ende der Umformung durchgeführten Kalibrieren bei maximalem Innendruck pi max soll eine vollständige Ausformung der finalen Bauteilgeometrie erreicht werden. Das Innenhochdruck-Umformen bietet auf der Basis des wirkenden hydrostatischen Drucks und des Verfahrensablaufs im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren folgende Vorteile: − − − −
Realisierung komplexer Bauteilgeometrien Erzielung hoher Umformgrade Gewährleistung hoher Bauteilgenauigkeiten Erzielung hoher Bauteilsteifigkeiten
Das Verfahrensprinzip des Innenhochdruck-Umformens kann auch für die Umformung großflächiger Blechteile genutzt werden. Dabei wird der Hohlraum, in dem das flüssige Medium wirkt, entweder durch ein umzuformendes Blech und das Umformwerkzeug (Einfachplatinen-Umformung) oder durch zwei Bleche (Doppelplatinen-Umformung) gebildet. Zur Umformung werden die Blechplatinen in ein entsprechendes Umformwerkzeug eingelegt, das ebenfalls aus Ober- und Unterwerkzeug besteht. Nach dem Schließen wird das Wirkmedium über ein Andock- bzw. Füllsystem zwischen Blech und Werkzeug bzw. zwischen beide Bleche eingebracht, was zum Aufbau eines wirksamen Innendrucks pi führt. Zu Beginn der Umformoperation wird unter Nutzung relativ geringer Schließkräfte Fschließ ein Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur angestrebt, um eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformung zur realisieren. Durch Erhöhung der Zuhalte- bzw. Schließkräfte wird dann der Werkstofffluss unterbunden. Das Kalibrieren der Bauteilform findet bei maximal möglichem Innendruck pi max statt. Neben umformtechnischen Effekten wie z.B. der Verschiebung der Umformgrenzen sowie der positiven Beeinflussung der Bauteileigenschaften sind auch wirtschaftliche Effekte zu beobachten. Im Fall der Doppelplatinen-Umformung können z.B. Außen- und Innenteile einer Baugruppe
2.2 Fluidisches System
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gleichzeitig in einer Prozessstufe und somit in einem Werkzeug umgeformt werden, wodurch deutliche Einsparungen von Fertigungsstufen, Werkzeugkosten und letztendlich Herstellkosten möglich sind.
2.2 Fluidisches System Zentrales Element eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens ist das Wirkmedium selbst. Über dieses Wirkmedium erfolgt die Krafteinleitung in das Werkstück, die letztlich den Umformvorgang auslöst. Als Wirkmedien können verschiedene Stoffe Verwendung finden. Aus Publikationen ist unter anderem die Nutzung folgender Medien bekannt: − − − −
Gase, insbesondere Luft Flüssigkeiten hochviskose Flüssigkeiten (beispielsweise Polymerschmelzen) formlos feste Stoffe (metallische oder keramische Schüttgüter)
Die übergroße Mehrzahl der in der industriellen Praxis verwendeten Wirkmedien sind Flüssigkeiten. Die Anforderungen an ein Wirkmedium, im Falle der Hydro-Umformung also an eine Flüssigkeit zur Metallumformung, sind äußerst komplex und teilweise widersprüchlich. Zu den wichtigsten Forderungen zählen: − hohe Stabilität unter mechanischer Beanspruchung − hohe Alterungsbeständigkeit − chemische Neutralität gegenüber eingesetzten Werkstoffen, insbesondere Werkstückwerkstoff, Hydraulikarmaturen und Dichtungen − geringe Kompressibilität − gute Korrosionsschutzeigenschaften − ausreichende Viskosität (Schmierung) − Kompatibilität mit Schmierstoffen − Möglichkeit der rückstandsfreien Entfernung vom Bauteil − ungiftig, nicht umweltgefährdend − ausreichende Biostabilität − schwer entflammbar bzw. nicht brennbar − geringer Preis Als geeignete Wirkmedien für die Hydro-Umformung haben sich so genannte HFA-Flüssigkeiten erwiesen. Es handelt sich dabei um schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten nach [92, 107] auf Wasserbasis, deren Zusammensetzung als Öl-in-Wasser Emulsion (nach VDMA 24317) mit
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2 Grundlagen
einem Ölanteil von max. 20% charakterisiert ist. Sie wurden ursprünglich für Hydrauliksysteme in brandgefährdeten Arbeitsstätten entwickelt. Das Zusatzkonzentrat ist heute jedoch speziell auf die Erfordernisse der Hochdruck-Umformung optimiert, wobei neben Mineralölprodukten auch lösliche Polymere und andere synthetische Produkte Verwendung finden. Die Zusatzstoffe sollen insbesondere die Korrosionsschutz- und Schmierungseigenschaften des Basisfluids Wasser sicherstellen. In speziellen Fällen werden auch andere Flüssigkeiten als Wirkmedium für die Hydro-Umformung verwendet, beispielsweise Mineralöl (Nachteil: Reinigung des Werkstücks, Umweltgefährdung), Wärmeträgeröl (hauptsächlich für die Warmumformung) oder auch Wasser (Lebensmittelindustrie). Der Betreiber einer Hydro-Umformanlage ist in der Entscheidung für ein bestimmtes Wirkmedium eingeschränkt, da die Freigabe des Anlagenherstellers für dieses Wirkmedium eingehalten werden muss. Gleichzeitig muss die Eignung des Wirkmediums für das umzuformende Bauteil beachtet werden. Das Wirkprinzip der Hydro-Umformung basiert auf der Druckausbreitung in Flüssigkeiten. Unter dem statischen Druck in einer Flüssigkeit versteht man den Quotienten aus der auf die Flüssigkeit wirkenden Kraft pro wirksamer Flächeneinheit. Unter Vernachlässigung des Schweredrucks durch das Flüssigkeitsgewicht ist in einer ruhenden Flüssigkeit der Druck in jedem Punkt des Flüssigkeitsvolumens gleich groß. Der statische Druck ist eine skalare Zustandsgröße einer Flüssigkeit. Sie hat keine Richtungsabhängigkeit, d.h. der Druck wirkt in einer Flüssigkeit in alle Richtungen gleichermaßen. Der statische Druck des Wirkmediums im Werkzeug erzeugt am Werkstück eine Flächenlast normal zur Werkstückoberfläche. Ist die Kombination aus statischer Druckkraft und weiteren angreifenden mechanischen Kräften ausreichend groß, überschreiten die Spannungen im Werkstück die Fließgrenze und es erfolgt eine plastische Umformung. Dieser Vorgang erfolgt so lange, bis durch die Grenzen der Gravur keine weitere Umformung möglich (Abb. 2.2.) oder der statische Druck im Werkzeug für eine weitere Umformung nicht ausreichend ist (beispielsweise durch Leckage). Letzterer Fall sollte natürlich vermieden werden. Die Art der Krafteinleitung in das Werkstück durch den statischen Druck normal zur Oberfläche unterscheidet sich dabei von anderen Umformverfahren, beispielsweise dem konventionellen Tiefziehen. Daraus folgt ein anders gearteter Materialfluss. Bestimmte Teilegeometrien können deshalb nur wirkmedienbasiert erzeugt werden, andere Geometrien lassen sich vorteilhafter erzeugen als mit konventionellen Verfahren.
2.3 Kenngrößen
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pi
Abb. 2.2. Kraftwirkung beim wirkmedienbasierten Umformen
In Sonderfällen ist keine gleichmäßige Ausbreitung des statischen Drucks im Werkzeug gewünscht, es werden dann partiell unterschiedliche Flächenlasten am Werkstück bevorzugt. Eine Möglichkeit hierzu liegt in der Verwendung hochviskoser nichtnewtonscher Flüssigkeiten, beispielsweise Polymerschmelzen. Hier hängt die Druckverteilung im Werkzeug auch von den Einströmverhältnissen des Wirkmediums ab. Die Erzeugung eines geeigneten statischen Drucks im Werkzeug erfolgt mit Druckerzeugern, vorzugsweise Pumpen oder Druckübersetzern. Ausgangspunkt für die Auswahl des Druckerzeugers ist der gewünschte Druckbereich. Hydropumpen erlauben typischerweise einen Druckaufbau in HFA-Medien bis maximal 350 bar, während mit Druckübersetzern Druckbereiche bis 4.500 bar industriell typisch sind. Druckübersetzer sind jedoch begrenzt im bereitgestellten Volumen des Wirkmediums. Charakteristisch für die Hydro-Umformung ist ein teilweise offener Kreislauf für das Wirkmedium. Insbesondere der Rücklauf des Wirkmediums zum Behälter erfolgt über Auffangwannen am Maschinentisch. Dadurch wird das Wirkmedium zusätzlich mit Verschmutzungen kontaminiert, insbesondere mit Feststoffpartikeln. Der Wartung des Wirkmediums ist deshalb besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Dazu zählt neben der obligatorischen Filterung zur Beseitigung von Feststoffverschmutzungen in erster Linie die Überwachung der Zusammensetzung des Wirkmediums. Hierzu sind regelmäßig dessen pH-Wert zu messen und bei Bedarf Wasser oder Zusatzkonzentrat zu ergänzen.
2.3 Kenngrößen Die entscheidenden Kenngrößen des Hydro-Umformprozesses sind − − − − −
der wirksame Innendruck pi, der Kalibrierdruck pi max, die Axialkraft Faxial, die Gegenhaltekraft Fgegen sowie die Schließkraft Fschließ.
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2 Grundlagen
Der Innendruck pi bewirkt das Anlegen des Ausgangshalbzeugs bzw. der Vorform an die Werkzeuggravur während des Umformprozesses. Um ein vollständiges Ausfüllen der Gravur am Ende der Umformoperation zu gewährleisten, ist ein Kalibrierdruck pi max erforderlich. Dessen Größe wird durch das eingesetzte Halbzeug (Werkstoff, Wanddicke) sowie durch die zu erzeugende Bauteilgeometrie (z.B. minimaler Bauteilradius) bestimmt. Maximale Drücke, die in heutigen Hydro-Umformanlagen für das Kalibrieren von Bauteilen eingesetzt werden, erreichen Werte bis zu pi = 4.000 bar. Um einen entsprechenden Innendruck-Aufbau zu gewährleisten, wird bei der Umformung von Rohren und Profilen das Ausgangshalbzeug mit Axialstempeln abgedichtet. Diese werden häufig auch für das Nachschieben von Werkstoff in die Umformzone genutzt, um eine Überlagerung von Zug- und Druckspannungen zu erreichen. Neben dem Abdichten müssen in diesem Fall durch die aufgebrachten Axialkräfte Faxial auch die Umformung des Bauteils (im Zusammenwirken mit dem Innendruck pi) sowie die Überwindung der Reibung im Nachschiebebereich gewährleistet werden. Zur Ausbildung von Formelementen wird häufig ein Gegenhaltestempel eingesetzt. Mit der dabei eingebrachten Gegenhaltekraft Fgegen wird einer übermäßigen Wanddickenreduzierung in diesen Bereichen entgegengewirkt (s.a. Abb. 2.12.). Der Gegenhaltestempel wird durch die fortschreitende Ausformung des Formelements verdrängt. Am Ende des Umformprozesses wird dessen Bewegung unterbunden und es erfolgt die Kalibrierung der finalen Bauteilform. Eine weitere wichtige Kenngröße bei der Hydro-Umformung ist die Schließkraft Fschließ, die durch die Umformmaschine aufgebracht werden muss. Diese verhindert das Öffnen des Werkzeugs während des Umformprozesses. Die Größe der aufzubringenden Schließkraft ist abhängig vom maximalen Innendruck pi max und den Abmessungen des Bauteils (projizierte Fläche Aproj). Beim Innenhochdruck-Blechumformen besteht eine zusätzliche Herausforderung darin, mit Hilfe der Schließkraft sowohl eine prozessangepasste Dichtheit des Werkzeugsystems als auch das Nachfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur zu gewährleisten.
2.4 Typische Versagensfälle
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2.4 Typische Versagensfälle 2.4.1 Rohre und Profile Der Arbeitsbereich des Innenhochdruck-Umformens von Rohren und Profilen (IHU) wird durch verfahrenstypische Versagensfälle begrenzt und definiert. Nach [126] wird dabei unterschieden zwischen − dem Bersten des Bauteils, − der Bildung von Falten sowie − dem Knicken des Ausgangsprofils. 2.4.1.1 Bersten Für die Ausformung des Bauteils ist der wirksame Innendruck pi verantwortlich. Wird aufgrund des steigenden Innendrucks beim Aufweiten die Gleichmaßdehnung des Werkstoffs überschritten, kommt es in der Umformzone zur Ausbildung von Einschnürungen. Diese führen zum Bersten des Bauteils, wenn sie durch den Innendruck einer weiteren Dehnung unterworfen werden (Abb. 2.3.).
Abb. 2.3. Versagensfall Bersten am Bauteil „T-Stück“
Durch eine geeignete Werkzeugauslegung oder prozessgestalterische Maßnahmen ist eine Verschiebung dieser Versagensgrenze möglich. So kann z.B. die Verwendung eines Gegenhaltestempels eine übermäßige Ausdünnung der Ausgangswanddicke im Dombereich eines T-Stücks verhindern. Durch ein Nachschieben von Werkstoff mit Hilfe von Axialstempeln kann eine Druckspannungsüberlagerung in der Umformzone erzeugt werden, was der Ausbildung von Einschnürungen bzw. dem Bersten des Bauteils entgegenwirkt, da im Vergleich zum Umformen unter Nutzung reiner Zugspannungen höhere Umformgrade bzw. Formänderungen erzielt werden können.
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2 Grundlagen
Zu Beginn einer Innenhochdruck-Umformoperation kommen wegen des noch geringen Innendrucks relativ kleine Reibkräfte zum Tragen. Bereits während dieser Prozessphase wird versucht, der Umformzone einen maximalen Werkstoffanteil zuzuführen. Bei höheren Innendrücken, bei denen ein Nachschieben des Werkstoffs aufgrund steigender Reibkräfte nur noch schwer möglich ist, kann so auf eine Werkstoffreserve für die Ausformung des Bauteils zurückgegriffen werden. Der Werkstofffluss kann durch die Änderung der Bauteilgeometrie (z.B. Vergrößerung der Bauteilradien) oder durch eine Optimierung des tribologischen Systems zwischen Bauteil und Werkzeug (Reduzierung der Kontaktreibung) positiv beeinflusst werden. Neben den prozessbedingten Größen beeinflusst auch das verwendete Ausgangshalbzeug mit seinen geometrischen, mechanischen und technologischen Eigenschaften das Umformergebnis. So können sich z.B. während des IHU-Prozesses Einschnürungen oder Reißer entlang der Schweißbzw. Kammernähte von geschweißten Rohren bzw. stranggepressten Profilen bilden, wenn diese nicht unter Anwendung der optimalen Prozessparameter hergestellt wurden. 2.4.1.2 Falten Eine gezielte Faltenbildung wird häufig während der Vorformoperation angestrebt. Im eigentlichen Umformprozess dienen die Falten dann als Werkstoffreserve und gewährleisten so die Realisierung der finalen Bauteilgeometrie. Während des Hauptformgebungsprozesses kann es allerdings auch zur unerwünschten Faltenbildung kommen. In diesem Fall können die Falten auch durch höhere Innendrücke nicht mehr beseitigt werden und führen u.U. sogar zum Abbruch des Umformprozesses. Wird z.B. beim Nachschieben des Werkstoffs in die Umformzone eine zu hohe Axialkraft Faxial bei gleichzeitig zu geringem Innendruck pi aufgebracht, entstehen im Nachschiebebereich in Umfangsrichtung des Bauteils Falten (Abb. 2.4.). Der Umformzone kann dadurch nicht genügend Werkstoff zugeführt werden, was letztendlich zu einem frühzeitigen Bersten des Bauteils führt. Zu hohe Axialkräfte können Falten bzw. Werkstoffüberwerfungen auch im Bauteilmittenbereich verursachen (Abb. 2.5.). Die damit verbundene Werkstoffverfestigung behindert den Werkstofffluss in die Umformzone, wodurch ebenfalls ein frühzeitiges Werkstoffversagen begünstigt wird.
2.4 Typische Versagensfälle
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Abb. 2.4. Faltenbildung im Nachschiebebereich am Bauteil „T-Stück“
Abb. 2.5. Falte und daraus resultierender Reißer im Mittenbereich am Bauteil „T-Stück“
Neben den Abmessungen des Ausgangshalbzeugs (Verhältnis von Ausgangswanddicke s0 zu Ausgangsdurchmesser D0) und den mechanischen Eigenschaften des umzuformenden Werkstoffs kann die Faltenbildung vor allem durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter beeinflusst werden. Zur Vermeidung einer irreversiblen Faltenbildung ist ein optimales Verhältnis von Innendruckaufbau und Werkstoffnachschieben erforderlich. Falten in Längsrichtung können beim Schließen des Werkzeugs auftreten, wenn ungünstige Halbzeugabmessungen oder Vorformgeometrien festgelegt wurden. 2.4.1.3 Knicken Ein weiterer Versagensfall beim Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen ist das Knicken des Ausgangshalbzeugs. Zum Ausknicken des Rohrs bzw. Profils kommt es – ähnlich wie bei der Bildung von Falten – aufgrund zu großer Axialkräfte. Kriterien für diesen Versagensfall sind die freie Aufweitlänge und die Wanddicke des Halbzeugs. Um ein Ausknicken zu vermeiden, müssen auch hier halbzeugangepasste Verfahrensparameter ausgewählt werden. Dies betrifft vor allem das Festlegen geeigneter Axialkräfte zum Nachschieben des Werkstoffs.
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2 Grundlagen
2.4.2 Bleche Beim Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) wird zwischen − dem Einschnüren und Bersten (Ausbildung von Reißern) des Bauteils sowie − der Bildung von Falten unterschieden. 2.4.2.1 Einschnüren und Bersten Zum Erreichen einer optimalen Bauteilausformung wird in einer ersten Umformphase, der so genannten Füll- bzw. Vorformphase, eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformgebung angestrebt. Relativ geringe Schließkräfte Fschließ bewirken ein Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur und eine Relativbewegung zwischen den Platinen (Doppelplatinen-Umformung). Diese Phase ist mit einer Tiefziehoperation vergleichbar, bei der die Funktion des Stempels durch das Wirkmedium übernommen wird. In einer zweiten Prozessphase wird dann die Schließkraft erhöht, um sowohl das Einfließen des Blechwerkstoffs in die Werkzeuggravur zu unterbinden als auch den Kalibrierdruck zur Ausformung der finalen Bauteilform aufzubauen. Ist bereits bei der Erzeugung der Vorform das Ziehverhältnis β zu groß oder wird der Werkstofffluss durch eine ungeeignete Schließdruckverteilung behindert, kommt es zur Ausbildung von Einschnürungen bzw. zum Bersten des Bauteils (Abb. 2.6.).
Abb. 2.6. Bersten eines großflächigen IHB-Bauteils
Auch beim Kalibrieren können diese Versagensfälle auftreten, wenn aufgrund einer ungeeigneten Vorformgebung die Dehnreserve des Werkstoffs während der Erzeugung der finalen Bauteilgeometrie überschritten wird.
2.4 Typische Versagensfälle
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Ähnlich wie beim Tiefziehen können Einschnürungen bzw. Reißer im Zargenbereich der Bauteile durch zu erzeugende Formelemente oder ungeeignete Zuschnittsgeometrien entstehen. Ursachen sind tangentiale Druckoder Zugspannungen, die durch den Werkstofffluss sowie die geometrischen Verhältnisse im Werkzeug hervorgerufen werden. Beim Ausbilden eines konvexen Formelements (z.B. Bauteileckbereich) werden durch das Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur tangentiale Druckspannungen aufgebaut (Abb. 2.7.). Eine Schließkraft vorausgesetzt, die die Bildung von Falten verhindert, dickt der Werkstoff in diesem Bereich auf und verfestigt sich. Der Werkstofffluss in die Gravur wird beeinträchtigt. Bauteil
σr σt
σr
Flansch
σt σr
σt
σt σr
Abb. 2.7. Spannungsverhältnisse bei der Ausbildung von Formelementen Radialspannung σr Tangentialspannung σt
Bei der Ausformung konkaver Formelemente wird der Werkstoff im Flanschbereich sowohl tangential als auch vertikal gestreckt, was in diesem Bereich eine deutliche Blechdickenreduzierung bewirkt. Somit kann es hier zur Werkstoffverfestigung und einer daraus resultierenden Behinderung des Werkstoffflusses in das Werkzeug kommen, was auch negative Auswirkungen auf die übertragbaren Umformkräfte hat. Das kann zur Initialisierung von Einschnürungen bzw. Reißern führen (Abb. 2.8.). Andererseits können zu große tangentiale Zugspannungen bereits ein Versagen des Werkstoffs im Flanschbereich bewirken. Zu kleine Einlaufradien entlang der Werkzeuggravur bzw. zu hohe Flächenpressungen begünstigen die Entstehung von Reißern. Demzufolge können diese auch in Bauteilbereichen ohne komplexe Formelemente hervorgerufen werden.
26
2 Grundlagen
Abb. 2.8. Ausbildung von Reißern bei konkaven Formelementen in der Zarge (links) bzw. im Flansch (rechts)
2.4.2.2 Falten Eine Faltenbildung, wie sie z.B. beim Tiefziehen in den Eckbereichen der Bauteile aufgrund tangentialer Druckspannungen auftritt, kann beim Innenhochdruck-Blechumformen aufgrund der relativ hohen Schließkräfte ausgeschlossen werden. Allerdings können sich im Gutteilbereich der Bauteile Falten bilden (Abb. 2.9.). Ursache dafür ist ein ungehinderter Werkstofffluss während der Vorformphase, wodurch partiell zu viel Werkstoff in der Vorform gebunden wird. Mit steigendem Innendruck pi erfolgt dann die Ausbildung irreversibler Falten.
Abb. 2.9. Faltenbildung im Gutteilbereich
Auch bei ungünstiger Lage der Teilungsebene bzw. der Platine im Umformwerkzeug können derartige Falten entstehen, wie Abb. 2.10. verdeutlicht.
2.5 Tribologie
27
Vorformung
pi
Innenteil
Außenteil
Kalibrierung pi
Faltenbildung
Abb. 2.10. Ausbildung einer Knickfalte am Beispiel der DoppelplatinenUmformung zur Herstellung einer Pkw-B-Säule
2.5 Tribologie Das tribologische System zwischen Werkzeug und herzustellendem Bauteil ist auch bei der Hydro-Umformung ein wesentlicher Einflussfaktor, der sich unmittelbar auf das erreichbare Umformergebnis auswirkt. Wie bei anderen Verfahren der Blechumformung tritt auch hier in der Regel Mischreibung auf, d.h. dass sich trotz einer durch das Schmiermittel gebildeten Zwischenschicht lokale Kontaktstellen zwischen den Reibpartnern „Werkzeug“ und „Werkstück“ ausbilden (s. Abb. 2.11.). Die Anforderungen an das tribologische System sowie dessen charakteristische Eigenschaften ändern sich im Prozessverlauf sowohl örtlich als auch zeitlich. Neben den im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren hohen Kontaktdrücken zwischen Werkzeug und Bauteil müssen Besonderheiten wie − unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Bauteil, − die zeitliche und örtliche Änderung der Kontaktfläche (zunehmendes Anlegen des Werkstücks an die Gravur) sowie − die Änderung der Oberflächentopographie des Ausgangshalbzeugs berücksichtigt werden.
28
2 Grundlagen Gegenkörper τm
τs
τh
Grundkörper dA3 dA2
Abb. 2.11. Reibmodell bei Mischreibung dA2; dA3 Flächenelement Schubspannung unter hydrostatischen Reibbedingungen τh Schubspannung an der metallischen Kontaktfläche τm Schubspannung im dünnen Schmierfilm τs
Am Beispiel eines T-Stück-Werkzeugs (vgl. Abb. 2.12.) lassen sich unterschiedliche Kontaktzonen zwischen Werkzeug und Werkstück identifizieren [120, 121, 122]: Nachschiebebereich − mittlere bis hohe Kontaktnormalspannungen − hohe Relativgeschwindigkeiten entsprechend der Axialstempelbewegung − keine Oberflächenvergrößerung Übergangszone − abnehmende Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug (im Vergleich zum Nachschiebebereich) − mögliche bzw. beginnende Oberflächenvergrößerung Umformzone − minimale Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück − maximale Oberflächenvergrößerung Fgegen
Faxial
I
II
III
I II III
Nachschiebebereich Übergangszone Umformzone
Abb. 2.12. Kontaktzonen beim Innenhochdruck-Umformen eines T-Stücks Faxial Axialkraft Gegenkraft Fgegen
2.5 Tribologie
29
Eine maximale Bauteilausformung beim T-Stück ist möglich, wenn dem Werkstofffluss in allen Kontaktzonen nur geringe Reibungskräfte entgegenstehen. Ist das der Fall, kann mit Hilfe der Axialstempel der erforderliche Werkstoffanteil in die Umformzone transportiert werden. Die Wanddickenabnahme in der Aufweitzone wird minimiert. Zur Vermeidung einer irreversiblen Faltenbildung im Nachschiebebereich ist aber ein optimales Verhältnis von Innendruckaufbau und Werkstoffnachschieben zu gewährleisten. Beim Innenhochdruck-Umformen werden zur Außenschmierung der Werkstücke − Öle und Fette, − wässrige Emulsionen und Suspensionen sowie − Festschmierstoffe verwendet. Abbildung 2.13. veranschaulicht den Einfluss des Schmierstoffs auf das erzielbare Umformergebnis am Beispiel eines T-Stücks. Für das linke Probewerkstück ist ein Trockenschmierstoff mit guter Schmierwirkung und hoher Druckbeständigkeit verwendet worden, für die Ausformung des rechten T-Stücks wurde eine wässrige Emulsion auf das Ausgangshalbzeug aufgebracht.
Abb. 2.13. Einfluss des Schmiermittels auf das Umformergebnis (links: Trockenschmierstoff; rechts: Emulsion)
Beide Probanden wurden aus Halbzeugen mit gleichen Abmessungen hergestellt. Die Reduzierung der Ausgangslänge lässt die Schlussfolgerung zu, dass mit Hilfe des Festschmierstoffs im Vergleich zur Emulsion ein größerer Werkstoffanteil in die Umformzone transportiert wurde, was letztendlich zur Ausformung größerer Domhöhen führte. Auch die gleichmäßige Wanddickenzunahme auf der dem Dom gegenüberliegenden Seite
30
2 Grundlagen
ist ein Indiz für einen weitgehend ungehinderten Werkstofffluss während der Umformoperation. Neben guter Schmierwirkung, hoher Druckbeständigkeit und guter Haftung müssen Schmierstoffe für das Innenhochdruck-Umformen aber auch anderen Anforderungen genügen: − − − − − −
problemlose Aufbringung auf das Werkstück problemlose Entfernung vom Werkstück Verträglichkeit mit dem Druckmedium keine bzw. minimale Kontaminierung des Druckmediums gute Umweltverträglichkeit keine gesundheitliche Gefährdung des Bedienpersonals
Eine weitere Möglichkeit zur positiven Beeinflussung des tribologischen Systems ist die Beschichtung von Werkzeugen (z.B. mit Keramik, DLC1 u.a.). Beschichtungen können z.B. in der Führungszone bzw. im Nachschiebebereich (Abb. 2.14.) eingesetzt werden, wo Relativbewegungen zwischen Werkzeug und umzuformendem Bauteil bei hohen Kontaktspannungen auftreten. Neben einer Reduzierung der Reibkräfte und der daraus resultierenden positiven Beeinflussung des Werkstoffflusses in die Umformzone können diese Beschichtungen auch zur Minimierung des Werkzeugverschleißes beitragen.
Abb. 2.14. DLC-beschichteter Nachschiebebereich eines IHU-Werkzeugs zur Fertigung von Automobil-Strukturkomponenten
Bei der Hydro-Umformung von Blechen ist ein weiterer Aspekt entscheidend für das erreichbare Umformergebnis. Die so genannte Füll- bzw. Vorformphase, in der eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorform angestrebt wird, ist mit einer Tiefziehoperation vergleichbar, bei der das Hochdruckmedium die Funktion des 1
Diamond Like Carbon
2.5 Tribologie
31
Stempels übernimmt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Vorform müssen ein Einfließen des Werkstoffs in die Gravur ermöglicht und eine prozessangepasste Dichtheit zur Bereitstellung eines nutzbaren Innendrucks pi gewährleistet werden. Für diesen Zweck bietet sich z.B. der Einsatz von Ziehfolien an. Neben der Reduzierung der Reibung zwischen Werkzeug und Bauteil tragen sie auch zu einer Abdichtung des Werkzeugsystems bei. Bei der Umformung von Doppelplatinen zur Erzeugung unterschiedlicher Bauteilgeometrien verschärft sich der Zielkonflikt „Dichtheit des Werkzeugsystems – Einfließen des Werkstoffs“, da zusätzlich eine Relativbewegung zwischen den Platinen erfolgt. Hier muss das tribologische System so beeinflusst werden, dass eine partielle und gezielte Steuerung des Werkstoffflusses möglich ist. Der Einsatz von Mehrpunkt-Kissensystemen beim Innenhochdruck-Blechumformen ist ein Erfolg versprechender Ansatz.
3 Prozessgestaltung
3.1 Bauteildesign 3.1.1 Systematik der Bauteilgeometrie Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile sind in den verschiedensten Branchen zu finden: − Fahrzeugbau (Automobile, Zweiräder; Wasser-, Luft- und Schienenfahrzeuge) − Kühlung/Heizung/Sanitär; Haushalttechnik − Möbelindustrie; Beleuchtung; Optik − Medizintechnik und Behälterbau Eine zweckmäßige Klassifizierung der Bauteilgeometrie ergibt sich aus der Form des verwendeten Halbzeugs. Aus Halbzeugen mit geschlossenem Querschnitt werden Hohlkörper der unterschiedlichsten Abmessungen und Querschnitte mit mehreren Nebenformelementen hergestellt. Aus Halbzeugen mit offenem Querschnitt entstehen hauptsächlich kasten- oder gehäuseförmige, aber auch andere flächige Bauteile mit verschiedenen Formelementen. Zu beachten ist, dass kreisrunde Rohre oft auch durch Rollen (Walzprofilieren) und Schweißen aus der flachen Platine hergestellt werden. Eine grobe Übersicht möglicher Bauteilgeometrien gibt Abb. 3.1. Erste Anwendungen in Deutschland gab es in den 1960er Jahren in der Sanitärindustrie durch den Einsatz von Fittings. Diese klassischen IHUBauteile, die sich anders auf wirtschaftliche Weise derzeit nicht herstellen lassen, haben ihre Stellung am Markt bis heute behauptet. Aus dieser Zeit stammen auch die ersten hydro-umgeformten Faltenbälge für den Einsatz im Armaturen- und Apparatebau (s. Abb. 3.2.). Im Heizungs- und Kühlanlagenbau werden u.a. Verteilerbalken für Heizungsanlagen, Plattenheizkörper und Kühlschlangen, in der Sanitärindustrie Mischbatterien durch Hydro-Umformung gefertigt (s. Abb. 3.3.). In der Möbelindustrie werden verstärkt Stuhl- und Tischbeine hergestellt.
34
3 Prozessgestaltung Bauteilgeometrie Geschlossener Querschnitt
Offener Querschnitt
Veränderung des Querschnitts ohne Änderung der Längsachse
mit geringfügiger Änderung der Längsachse
mit signifikanter Änderung der Längsachse
(1)
(2)
(2)
(1 / 2)
(1)
(1)
(1)
Flachteile
Hohlstrukturen
(1)
(1)
(1)
(2)
Verbundteil
Verfahrenskombination - Hydro-Umformung + Tiefziehen - Hydro-Umformung + Lochen und Schneiden - Hydro-Umformung + Lochen und Kragenziehen
Gefügte Strukturen - Hydro-Nieten / Hydro-Clinchen - Hydro-Patchwork - Geschweißte Doppelplatine
Abb. 3.1. Klassifizierung hydro-umgeformter Bauteile [1 – FRAUNHOFER IWU; 2 – HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG]
3.1 Bauteildesign
35
Abb. 3.2. Fitting (links; beispielhafte Darstellung) und Faltenbälge (rechts; hergestellt auf Maschinen der FA. H&T PRODUKTIONSTECHNOLOGIE GMBH)
Abb. 3.3. Verteilerbalken (links) und Mischbatterie (rechts; HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)
Das größte Anwendungsgebiet der Hydro-Umformung ist jedoch der Fahrzeugbau, insbesondere der Automobilbau. Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile sind sowohl im Antriebsstrang, im Fahrwerk als auch im Karosseriebereich (Struktur- und Anbauteile) zu finden. Typische Anwendungsfälle im Antriebsstrang sind z.B. Kraftstoffleitungen, Abgaskrümmer und -verteiler, Ansaugstutzen und Nockenwellen (s. Abb. 3.4.). Für das Fahrwerk werden u.a. Motor- und Achsträger, Hilfsrahmen (s. Abb. 3.5.), aber auch Querlenker und andere Achskomponenten hergestellt.
36
3 Prozessgestaltung
Kraftstoffsammel- Abgaskrümmer leitung [43] [43]
Nockenwelle Krümmer [FRAUNHOFER IWU] [SCHULER HYDROFORMING GMBH & CO. KG]
Abb. 3.4. Bauteile des Antriebsstrangs
Achsträger [43]
Hilfsrahmen [SCHULER HYDROFORMING GMBH & CO. KG]
Abb. 3.5. Bauteile des Fahrwerks
Motivation für die Umstellung der Fertigungstechnologie auf HydroUmformung war neben der Gewichtseinsparung und Erhöhung der Prozesssicherheit insbesondere die Möglichkeit der Funktionsintegration in ein Bauteil, wobei durch die geringere Anzahl der Arbeitsstufen (und somit auch der Werkzeuge) eine Kostenreduzierung erzielt wird. Mittlerweile sind Hydro-Umformteile als Motor- und Fahrwerkskomponenten derart präsent, dass sie aus neuen Fahrzeugkonzepten nicht mehr wegzudenken sind. Die vorhandenen Realisierungsmöglichkeiten hinsichtlich Querschnitt, Bauteilabmessung und Wanddicke gestatten nicht nur eine optimale Funktionalität, sondern auch ein hohes Flexibilisierungspotenzial. Das größte Einsatzgebiet hydro-umgeformter Serien-Bauteile ist der Karosseriebau. Die Motivation zum Einsatz dieser Technologie resultiert in erster Linie aus den Anforderungen an neue Fahrzeugkonzepte (Abb. 3.6.). Aus den Wechselbeziehungen zwischen Anforderungen und technischen Möglichkeiten ergibt sich der Handlungsspielraum, geeignete und wirtschaftlich herstellbare Bauteile zu entwickeln.
3.1 Bauteildesign
37
Gewicht Kraftstoffverbrauch Leichtbau
Kosten
Qualität Werkstoffe Styling Optik
Technologie Varianten Optimierung
Prozesssicherheit
Außenhautqualität
Struktur
Verbindungstechnik
Werkzeuge und Anlagen
Komplexität Plattform
Verfahrensintegration Technologieentwicklung
Funktionsoptimierung
Korrosionsbeständigkeit
Crash Steifigkeit Festigkeit
Abb. 3.6. Karosserie – Anforderungen und Entwicklungsrichtungen
So bestehen in der Hydro-Umformung Entwicklungspotenziale für umfangreiche technische Lösungen sowohl in der Karosseriestruktur als auch bei Anbauteilen (Hang-on-parts). In Tabelle 3.1. sind wichtige Bauteile, die durch Hydro-Umformung realisiert wurden, aufgeführt. Der Trend geht auch in Richtung hydro-umgeformter Bauteile mit Design-Elementen (Blenden, Zierleisten), bei denen eine hohe Oberflächengüte gefordert wird. In der Fahrzeugindustrie wird die Hydro-Umformung zukünftig vor allem im kleineren Stückzahlbereich für Bauteile unterschiedlichster Art Anwendung finden [43, 142]. Tabelle 3.1. Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile Rahmenteile − kompletter Seitenträger (4,5 m lang) − Quer- und Längsträger in unterschiedlichster Ausführung und Dimension − Dachrahmen (hinten und vorn) − Stirnwände (hinten und vorn) − Scharnierverstärkungen − A-, B-, C- und D-Säulen − Tür- und Säulenverstärkungen − Seitenaufprallschutz
Hang-on-parts − Kotflügel − Frontklappe − Heckklappe − Dach (komplett); Schiebedachfenster − Türinnenblech (Versuchsstadium)
weiterhin − Federstütze − Tank (teilweise partiell) − Stoßfänger − Crashabsorber − Kabelführungen
38
3 Prozessgestaltung
3.1.2 Anforderungen an das Bauteil Besondere Anforderungen an ein Bauteil werden hinsichtlich − − − − − − −
Form- und Maßgenauigkeit, Oberflächengüte, einschließlich Styling und Optik, Wand- bzw. Blechdickenverläufen, Formänderungsverläufen, Verfestigungszustand (Steifigkeit, Crashsicherheit), Masse und Korrosionsbeständigkeit
gestellt. Die Wichtigkeit der einzelnen Parameter richtet sich nach der Funktion des Bauteils im Endprodukt. Die Hydro-Umformung bietet aufgrund ihrer Prozessspezifik und der Realisierbarkeit unterschiedlicher technologischer Varianten gute Chancen, auch erhöhte Anforderungen bezüglich der genannten Parameter zu erfüllen. Die Einhaltung der Form- und Maßgenauigkeit ist i.d.R. das wichtigste Kriterium. Hier besitzen Hydro-Umformteile aufgrund der spezifischen Prozesscharakteristik, die durch günstige Reibbedingungen und Überlagerung von Druckspannungen gekennzeichnet ist, Vorteile gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen. Durch ausreichendes Kalibrieren über eine Erhöhung des Innendrucks können Radien und andere geometrische Elemente verfestigt werden, wodurch sich beispielsweise die Rückfederung stark reduzieren, teilweise sogar eliminieren lässt. Hydro-Umformtechnologien eignen sich ebenfalls zur Erzeugung besonders guter Oberflächenqualitäten. Da zwischen Werkstück und Werkzeugaktivteilelementen nur eine geringe Relativbewegung stattfindet, wird die Bauteiloberfläche geschont. Außerdem können Werkzeug- und technologisches Prinzip so ausgelegt werden, dass nicht die Gravur des Gesenks, sondern das Wirkmedium mit der Sichtfläche in Berührung kommt. Auf diese Weise sind auch Außenhautqualitäten realisierbar. Häufig werden bei den Bauteilen Mindestwand- bzw. -blechdicken verlangt. Auf der Grundlage von FEM-Simulationen können die Prozessparameter so definiert werden, dass z.B. geforderte Mindestwerte nicht unterschritten werden. Andererseits wird im Prozess eine Wand- bzw. Blechdickenreduzierung auf ein noch mögliches Minimalmaß angestrebt, um eine geringe Bauteil-Masse zu erreichen. Auch die Einstellung eines definierten Formänderungs- und Verfestigungszustandes ist mit Hilfe spezifischer Prozessparameter zu erreichen. Dies ist möglich, indem durch die Abstimmung zwischen Innendruck und Axial- bzw. Schließkraft der Werkstofffluss gezielt gesteuert wird. Auch
3.1 Bauteildesign
39
das abschließende Kalibrieren kann dazu benutzt werden, die Anteile an Tiefzieh-, Biege- und Streckziehbeanspruchung entsprechend den Anforderungen an das Bauteil zu dosieren. Inwieweit die gestellten Anforderungen in der Serienfertigung dann tatsächlich erreicht werden können, hängt auch ab von − − − −
den Eigenschaften des eingesetzten Bauteilwerkstoffs, dem ausgewählten Halbzeug, einer sinnvollen Vorbiegung und Vorformung und nicht zuletzt von der Qualität der angewendeten Technologie sowie Werkzeug- und Anlagentechnik.
3.1.3 Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung In der Vergangenheit wurde bei der Entwicklung eines Bauteils primär Wert auf die funktionsgerechte Gestaltung gelegt. Relativ lange Entwicklungs- und Einarbeitungszeiten führten zu der Erkenntnis, dass bei der funktions- und formgerechten Gestaltung das Augenmerk gleichermaßen auf der fertigungsgerechten Gestaltung liegen muss. Dabei ist streng das Prinzip des „Simultaneous Engineering“ anzuwenden. Der spätere Produzent eines Werkstücks sollte, ebenso wie der Werkzeugentwickler, so früh wie möglich in die Bauteilgestaltung einbezogen werden. Nur so sind die Anwendung effizienter Prozesstechnologien sowie deren schnelle und problemlose Überführung in die Serienfertigung möglich. Diese Strategie ist allgemeingültig, trifft jedoch insbesondere auf die Entwicklung von Hydro-Umformteilen zu, da es sich hierbei oft um komplexe, im Prozess schwer zu beherrschende Bauteilgeometrien handelt. Eine anwenderorientierte Projektabwicklung könnte beispielsweise methodisch, wie in Abb. 3.7. dargestellt, realisiert werden. Für die Absicherung einer verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ist die Machbarkeitsanalyse, die hauptsächlich mit den Methoden der FEMSimulation realisiert wird, von herausragender Bedeutung. Voraussetzung dafür sind zunächst eine Stadienplanung, die Definition eines konkreten Verfahrens für die Hauptformgebung sowie die Ableitung der Werkzeugaktivteilflächen aus den CAD-Flächendaten des Bauteils. Mit Hilfe von Berechnungen und FEM-Simulationen sind zunächst sowohl die Herstellbarkeit des Bauteils als auch der Grad der Sicherheit und Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung bei alternierenden Prozess- und vor allem tribologischen und Werkstoffparametern abzuschätzen. Ist der Prozess als relativ sicher anzusehen (keine Versagensfälle detektierbar), kann das vorgegebene Bauteildesign bestätigt werden.
40
3 Prozessgestaltung Anwender/Werkzeugentwickler
Idee/Aufgabe
Entwickler Bauteil Entwickler Bauteil oder Anwender/Werkzeugentwickler
Vorgespräch
Machbarkeitsanalyse Prototypentwicklung
einfache, sichere Teile
Prototypbau
Test mit unterschiedlichen Parametern Optimierung
Serienwerkzeugentwicklung
Definition Qualitätsparameter
Serienfertigung
Abb. 3.7. Beispiel einer Bauteilneuentwicklung
Treten Unzulänglichkeiten auf (Risse, Falten, zu starke Wand- oder Blechdickenreduzierung, Umformgrade zu nahe an der Grenzformänderungskurve oder darüber), sind zunächst die Prozessparameter zu optimieren. Durch exaktes Abstimmen des Innendrucks auf die Axialkräfte bzw. die Schließkraft gelingt es i.d.R., die Versagensgrenzen zu verschieben. Auch die Wahl der richtigen Rohrlänge oder eines geschickten Zuschnitts bei der Blechbearbeitung sind wichtig. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz des richtigen Halbzeugs. Geringfügige Änderungen der mechanischen Eigenschaften des Bauteilwerkstoffs, des Durchmessers oder der Wanddicke des verwendeten Rohres können das Umformergebnis bereits verbessern. Reichen diese Maßnahmen dennoch nicht aus, so sind entweder zusätzliche Vorformoperationen vorzusehen oder die Bauteilgeometrie ist an die Möglichkeiten des vorgesehenen Verfahrens anzupassen. Bei dieser verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ist jedoch die spätere Funktion in der Baugruppe oder im Endprodukt unbedingt zu berücksichtigen. Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung bedeutet auch, die Verfahrensspezifik des Hydro-Umformens zu beachten. Typische Geometrieveränderungen vom Halbzeug zum Fertigteil sind beim Hydro-Umformen z.B. Querschnittsveränderungen (verbunden mit Umfangsvergrößerung), Aus-
3.1 Bauteildesign
41
halsungen bzw. Dombildungen, Durchsetzungen und Durchbrüche. Hier sind technologie- und anlagenabhängige geometrische Grenzen zu beachten. Die typischen Arbeitsbereiche und die Grenzen des derzeitigen Standes der Hydro-Rohrumformtechnik sind in Tabelle 3.2. dargestellt. Tabelle 3.2. Grenzen des derzeitigen Standes der Hydro-Rohrumformtechnik Hauptparameter Rohrlänge Durchmesser Wanddicke
Häufigster Bereich in mm ...1.500 (2.000) 20...120 0,5...4
Maximalwerte in mm 12.000 600 50
Folgende grundsätzliche Hinweise sollten bei der Hydro-Rohrumformung berücksichtigt werden: − scharfe Ecken und Kanten vermeiden − „weich“ gerundete Übergangsbereiche vorsehen und konvex-konkavbzw. konkav-konvex-Übergänge unterlassen − homogene Formänderungsverteilung im Bauteil anstreben − größere ebene Flächen konstruktiv verändern (dies gilt im besonderen Maße auch für die Hydro-Umformung von Blechen), so dass stattdessen z.B. Sicken und Formfelder oder leicht gekrümmte Bereiche (je größer die initiierte Formänderung des Werkstoffs, umso besser die Abformgenauigkeit, desto geringer die Rückfederung) angewendet werden Für die Bauteile, bei denen Werkstoff axial nachgeschoben werden kann, hat sich als günstiges Verhältnis von Rohrdurchmesser D zur Wanddicke s die Beziehung D/s = 20...45 erwiesen. Wird dieser Wert überschritten, besteht die Gefahr des Knickens oder Berstens. Werte darüber sind möglich, wenn die freie Knicklänge l, die im Allgemeinen l 2D betragen sollte, weiter verkürzt wird. Ist bei Bauteilen ein axiales Nachschieben nicht möglich, so entspricht die Grenze der erreichbaren Dehnung der halben Bruchdehnung des Werkstoffs. Für die Herstellung eines Bauteils ist eine möglichst große Ausbildung der Radien wichtig. Die herstellbaren Radien werden im Wesentlichen vom verfügbaren Innendruck bestimmt. Die meisten der derzeit eingesetzten Anlagen arbeiten mit einem maximalen Innendruck von pi = 4.000 bar. Nur vereinzelt stehen Anlagen mit höherem Arbeitsdruck zur Verfügung. Abbildung 3.8. zeigt, welche Innendrücke für die Realisierung eines bestimmten Radien-/Wanddickenverhältnisses erforderlich sind, wobei die Festigkeit des Rohrwerkstoffs zu berücksichtigen ist. Die dargestellte Kurve gilt hauptsächlich für Stähle geringer und mittlerer Festigkeit. Bei Verwendung von hochfesten Stählen oder Edelstahl sind noch höhere Innendrücke erforderlich.
42
3 Prozessgestaltung ASE Werkzeug
Innendruck in bar
7000
5000
rmin s
3000
pi
1000 1/1 2/1 3/1 4/1 Innenradius/Wanddicke [-]
erforderlicher Innendruck: pi max = f(rmin, kf, s)
kf = Umformfestigkeit rmin = kleinster Innenradius des Bauteils s = Wanddicke
Abb. 3.8. Innendruck als Funktion des Radien-/Wanddickenverhältnisses nach [140]
Nebenformelemente, wie z.B. Dome oder andere Aufweitungen, sollten nahe am Nachschiebebereich des Rohres und möglichst an einem geraden Abschnitt angeordnet sein. Der Werkstoff lässt sich durch die Axialzylinder viel einfacher über lineare als über gekrümmte Wege zum Nebenformelement transportieren. Bögen behindern den Werkstofffluss deutlich (vgl. Abb. 3.9.). 15% D 100% D
75% D
D
Abb. 3.9. Beispiel für erreichbare Domhöhen nach [140]
Die Anordnung erforderlicher Nebenformelemente sollte so weit wie möglich am Rohrende, also am Axialzylinder erfolgen. Infolge der Reibung zwischen Rohraußenwand und Gravur lässt sich der Werkstoff nicht mehr in innere Bereiche des Bauteils transportieren (s. Abb. 3.10.). Sind mehrere Dome oder andere Nebenformelemente nacheinander in Werkstoffflussrichtung angeordnet, so fließt der Werkstoff nur in das dem Axialstempel am nächsten liegende Element. Durch die mehrfache Werkstoffumlenkung gelangt kein zusätzlicher Werkstoff in die nachfolgenden Elemente, so dass dort entsprechend den mechanischen Kennwerten nur ein Fließen aus der Wanddicke erfolgt (Abb. 3.11.).
3.1 Bauteildesign
43
D 100% D
2D
3D
50% D
20% D
3D
Abb. 3.10. Domhöhe als Funktion der Entfernung vom Axialstempel 1. Formelement 2. Formelement
Faxial
Abb. 3.11. Absperrung des Werkstoffflusses
Die größten Formänderungen sind bei linearen Bauteilachsen und rotationssymmetrischen Querschnitten erreichbar. Unter optimalem axialem Nachschieben sind auf diese Weise Hauptumformgrade ij1 = 0,8...1 erreichbar. Bei einer Krümmung der Bauteilachse kann der Werkstoff durch die Axialstempel nachgeschoben werden, wenn der Krümmungsradius R 5D (Rohrdurchmesser) beträgt. Dabei sollte die freie Knicklänge den Ausgangsrohrdurchmesser D nicht überschreiten. Je kleiner der Krümmungsradius wird, desto weniger Werkstoff kann ins Bauteilinnere hineintransportiert werden. Die größten Aufweitverhältnisse hinsichtlich des Querschnitts sind bei freier Aufweitung zu erreichen, wenn die freie Knicklänge l = 2D (Rohrdurchmesser) beträgt. Höchste Formänderungen werden immer dann erzielt, wenn der Querschnitt rotationssymmetrisch und genau in der Rohrachse angeordnet ist. Bei unsymmetrischen Querschnitten sollte der Werkstoffnachschub möglichst axial erfolgen, da ansonsten wegen partiell zu großer Wandabstreckung ein Bersten eintritt. Liegen unsymmetrische
44
3 Prozessgestaltung
Querschnitte außerhalb der Rohrachse, so muss mindestens der halbe Umfang des eingesetzten Rohres durch die Werkzeugkontur abgestützt sein. Die Anforderungen an das Bauteil, insbesondere an die Abformgenauigkeit, erhöhen sich deutlich mit dessen steigender Komplexität. So ist mit zunehmender Anzahl der Vorbiege-/Vorformoperationen (z.B. Zunahme der Biegebogenanzahl; Vergrößerung der Bauteillänge) durch die Addition der Ungenauigkeiten der Einzeloperationen und infolge der gegenseitigen Beeinflussung mit einer Abnahme der Bauteilgenauigkeit und geringerer Produktionsstabilität zu rechnen. 3.1.4 Funktionsoptimierte Bauteile Während bei der verfahrensgerechten Bauteilgestaltung die generelle Herstellbarkeit und vor allem die Absicherung der Produktionsstabilität im Mittelpunkt stehen, geht es bei der Funktionsoptimierung um die Erzeugung spezifischer Gebrauchswerteigenschaften des Endprodukts. Eine funktionsgerechte, vor allem aber funktionsoptimierte Bauteilherstellung erfordert eine Analyse der entscheidenden Einflussgrößen auf die Bauteilendeigenschaften (s. Abb. 3.12.). Halbzeug
Bauteil
- Werkstoffeigenschaften - Herstellverfahren
- Geometrie - Form- und Maßgenauigkeit - Design
Maschine/Anlage - Kräfte/Drücke - Mehrpunktziehtechniken
Rohr Abstimmung Innendruck / Axialkraft
Blech
Endeigenschaften des Bauteils
Abstimmung Innendruck / Schließkraft
Prozess - Vorformen - Prozessparameter für den gezielten Werkstofffluss
Abb. 3.12. Einflussgrößen auf die Bauteilendeigenschaften
3.1 Bauteildesign
45
Die Festigkeitseigenschaften werden maßgeblich durch die Zugfestigkeit des eingesetzten Rohr- oder Blechwerkstoffs, aber auch durch die geometrischen Parameter des Bauteils bestimmt. Kleine Radien führen, ebenso wie zusätzliche Formelemente (Sicken, Formfelder) zu Festigkeitssteigerungen in den gewünschten Bereichen. Erforderliche Genauigkeiten sind auch durch eine optimierte Prozessgestaltung zu erzielen. Hohe Kalibrierdrücke führen i.d.R. zu einer besseren Abformgenauigkeit, wodurch Rückfederungseffekte deutlich reduzierbar bzw. sogar eliminierbar sind. Häufig werden bei wichtigen funktionalen Bauteilen (auch unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus) unterschiedliche Blech- bzw. Wanddicken in verschiedenen Bereichen gefordert. Dies kann durch eine gezielte Prozesssteuerung erreicht werden. Bei der Rohrumformung geschieht das durch eine günstige, zeitlich untersetzte Abstimmung zwischen Axial- und Innendruck, bei flächigen Bauteilen durch gezielte Beeinflussung des Werkstoffflusses, vor allem im Flanschbereich. Mit der Umsetzung einer differenzierten Tribologie oder dem Einsatz der Mehrpunktziehtechnik (unterschiedliche Pinolenkräfte über dem Umfang) sind spezielle Effekte erzielbar. Durch technologische Maßnahmen können Reibkräfte variiert werden, so dass beispielsweise durch ein Aufdicken der Rohre – günstig an den Einspannstellen (s. Abb. 3.13.) – eine Erhöhung oder, in anderen Bereichen, durch Abstrecken eine Reduzierung der Wanddicke erreicht wird. Auch Aufweitvorgänge, wie in Abb. 3.14. dargestellt, sind problemlos möglich (s.a. Abschn. 3.3.1.2). Axialstempel
Rohr/Profil
Abb. 3.13. Aufdicken der Rohr- und Profilenden Flansch Axialstempel
Rohr/Profil
Abb. 3.14. Aufweiten (Flanschherstellung) an Rohr- und Profilenden
Eine geschickte Vorformgebung schafft günstige Voraussetzungen zum Erreichen der gewünschten Bauteileigenschaften. Eine einfache Möglich-
46
3 Prozessgestaltung
keit, ein finales Bauteil vor der Hauptformgebung aus mehreren Teilen zusammenzufügen, bieten solche Methoden wie die Verwendung von tailored blanks, tailored tubes oder auch Patchwork-Strukturen. Die Anwendung der Verfahren Rundhämmern oder Rundkneten erlaubt eine signifikante Änderung des Bauteilumfangs bei gleichzeitiger Einstellung unterschiedlicher Wanddicken (s. Abb. 3.15.). Neben den genannten Maßnahmen können Steifigkeitsverbesserungen auch durch technologische Optimierungen in Bezug auf die Formänderungsverteilung erreicht werden. Dies ist in den Mittenbereichen flächiger Bauteile von Bedeutung. Werden bei konventionellen Ziehtechniken (Tiefziehen) in Normalrichtung nur Umformgrade von ijn = 0,01...0,02 erreicht, so sind bei der Hydro-Umformung Umformgrade von ijn = 0,06...0,08 möglich. Nachgewiesen wurden diese Effekte an Frontklappen und Türaußenblechen.
Abb. 3.15. Wanddickenveränderungen durch technologische Maßnahmen [GFM GMBH, ÖSTERREICH]
3.2 Halbzeugeinsatz 3.2.1 Werkstoffe für die Hydro-Umformung Grundsätzlich eignen sich für das Hydro-Umformen alle metallischen Werkstoffe, die auch bei anderen Kaltumformverfahren wie z.B. Tiefziehen oder Rohrbiegen eingesetzt werden. Voraussetzung ist deren plastische Umformbarkeit. Dennoch ist zu beachten, dass die einzelnen Werkstoffe infolge ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften auch eine unterschiedlich gute Umformeignung besitzen. Gute Umformbedingungen werden erzielt, wenn der Werkstoff ein feinkörniges Gefüge aufweist und weichgeglüht ist. Darüber hinaus sind hohe
3.2 Halbzeugeinsatz
47
Werte für Gleichmaß- und Bruchdehnung sowie ein gutes Verfestigungsverhalten (hoher Verfestigungsexponent n) vorteilhaft. Die meisten Werkstoffe sind anisotrop, d.h. die mechanischen Eigenschaften sind also von der Walzrichtung abhängig. Wird ein Blech aus einem anisotropen Werkstoff verarbeitet, muss der Blechzuschnitt so in das Werkzeug eingelegt werden, dass die höchsten Bruchdehnungswerte auch an den Stellen der höchsten zu erwartenden Umformgrade genutzt werden können. Bei der Rohrverarbeitung ist i.d.R. die Bruchdehnung quer zur Längsrichtung des Rohres kritisch. Eine hohe Kaltverfestigung des Werkstoffs ist allgemein wünschenswert, da neben der Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit des Bauteils auch günstigere Gebrauchswerteigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit erreichbar sind. Bei einer hohen, durch die Umformung initiierten Kaltverfestigung (Work-Hardening-Effekt) lassen sich jedoch beispielsweise sehr kleine Radien nicht mehr kalibrieren, da die Innendrücke der eingesetzten Anlagen begrenzt sind. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass bei der Rohrherstellung und evtl. auch bei Vorbiege- bzw. Vorformoperationen eine Vorverfestigung stattgefunden hat. Ein Teil des zur Verfügung stehenden Umformvermögens ist dadurch bereits aufgebraucht, so dass die Möglichkeiten des eigentlichen Hydro-Umformprozesses begrenzt sind. In diesem Fall muss ein Zwischenglühen erfolgen, was aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nur noch selten Anwendung findet. Die zu erwartenden Festigkeitssteigerungen betragen beim Vorbiegen bis zu 10%, beim Vorbiegen und Vorformen bis zu 50% und darüber, bei weichen Grundwerkstoffen im Schweißnahtbereich ca. 60%. Eine aufschlussreiche Beschreibung des Umformvermögens von Blechen erhält man durch Aufnahme und Interpretation von Grenzformänderungsdiagrammen (Forming Limit Diagram FLD). Hierin wird eine Versagensgrenze, basierend auf den beiden Hauptdehnungen, definiert. Da bei der Hydro- gegenüber der konventionellen Umformung andere, weitgehend auch nichtlineare Umformwege charakteristisch sind, ist die Anwendung vorhandener Grenzformänderungskurven im Hydro-Umformprozess nur bedingt möglich. Derzeit wird an verschiedenen Stellen versucht, modifizierte FLD zu ermitteln, die der Prozessspezifik der Hydro-Umformung besser gerecht werden. Durch die häufig auftretenden Spannungsüberlagerungen sind beispielsweise so genannte Grenzformspannungsdiagramme (Forming Limit Stress Diagram FLSD) besser geeignet, die Versagensgrenzen zu beschreiben [119]. Die wichtigsten Werkstoffe für die Hydro-Umformung sind noch immer weiche, unlegierte Stähle und Aluminiumlegierungen, obwohl auch hier ein Trend zu höherfesten Werkstoffen feststellbar ist. Aluminium bietet ein
48
3 Prozessgestaltung
breites Sortiment gut umformbarer Ziehgüten, die sowohl als Blech als auch als Rohr lieferbar sind; dieser Flexibilität steht allerdings das traditionell ungünstigere Umformverhalten von Aluminium gegenüber Stahl entgegen. Branchenspezifisch werden auch Kupfer- und Messingwerkstoffe erfolgreich eingesetzt. Mit thermischer Unterstützung werden seit kurzem auch Magnesiumlegierungen umgeformt. Stahlwerkstoffe Das in Hydro-Umformprozessen verwendete oder erprobte Stahlsortiment reicht von weichen, unlegierten Blechwerkstoffen über ferritische Baustähle bis zu hochfesten Stahlblechen und austenitischen Edelstählen (vgl. Tabelle 3.3.). Tabelle 3.3. Verwendete und erprobte Stahlsorten in Hydro-Umformprozessen Einteilung nach Festigkeit Weiche Stähle Höherfeste Stähle
Hochfeste Stähle
Stahlsorten DC04...06 (1.0338; 1.0312/1.0873) ZStE180BH (1.0395) ZStE220i = H220G1 (1.0346) ZStE260 = H240LA (1.0480) ZStE280i = H280G1 (1.0447) ZStE340 = H320LA (1.0548) ZStE420 = H400LA (1.0556) DP500/600 = H270X/H310X (1.0938/1.0940) TRIP700/800 (noch nicht genormt) CP-W800/CP-W900 (1.8998/1.8949)
Insbesondere bei hochfesten Stählen ist die eingeschränkte Umformbarkeit zu beachten. Die Realisierung großer Ziehtiefen oder kleiner Radien ist bei diesen Werkstoffen nicht möglich. Zudem erfordert die hohe Festigkeit sehr hohe Innendrücke und Schließkräfte. Speziell für die Hydro-Umformung von Rohren wurden zur Verbesserung der Umformeigenschaften typische Werkstoffe modifiziert. Die weiterentwickelten Rohrwerkstoffe St 34, St 37 und St 52 erhielten als St 34-2mod, St 37-2mod und St 52-2mod eine höhere Bruchdehnung (teilweise über 40%) und günstigere Verfestigungsexponenten n. Als WellenWerkstoffe für die Automobilindustrie wurden bereits C15/C45 (1.0401/1.0503) sowie 16MnCr5 (1.7139) eingesetzt. In der Klima- und Sanitärbranche gewinnen Edelstähle zunehmend an Bedeutung und lösen Messingwerkstoffe teilweise ab. Neben X5CrNi18-10 (1.4301) wird für T-Fittings z.B. X20CrMoV12 (1.4922) eingesetzt. In [102] sind die technischen Lieferbedingungen für Präzisionsstahlrohre sowie die mechanischen Eigenschaften der Rohrwerkstoffe dokumentiert. Präzisionsstahlrohre nach [102, Teil 2] werden über Ring und Dorn
3.2 Halbzeugeinsatz
49
gezogen und anschließend mit Aufmaß gewalzt und geschweißt. [102, Teil 3] beinhaltet „maschinenfertige“ Rohre, die direkt auf den geforderten Nenndurchmesser gewalzt werden. Die wichtigsten Lieferzustände von Rohren für die Hydro-Umformung sind in Tabelle 3.4. zusammengefasst. Weitere Ausführungen zu Stahlwerkstoffen finden sich in [182]. Tabelle 3.4. Wichtige Lieferzustände von Rohren nach [102] Benennung zugblank-hart
Symbol (altes Kurzzeichen nach DIN 2393) +C (BK)
zugblank-weich
+LC (BKW)
normalgeglüht
+N (NBK)
Erklärung Keine Wärmebehandlung nach der letzten Kaltumformung. Die Rohre haben deshalb nur geringes Umformvermögen. Kaltzug mit geringem Umformgrad nach der letzten Wärmebehandlung. In gewissen Grenzen kaltumformbar (Biegen, Aufweiten). Nach der letzten Kaltumformung sind die Rohre oberhalb des oberen Umwandlungspunktes unter Schutzgas geglüht.
Aluminiumlegierungen [3] Die Anzahl der in Hydro-Umformprozessen verwendeten Aluminiumlegierungen ist sehr groß. Zu unterscheiden ist zwischen Feinblechen und nahtlos (strang)gepressten Rohren sowie Rohren, die durch Rollen und Schweißen von Feinblechen hergestellt werden. Die Auswahl erfolgt im Allgemeinen nach den gewünschten Bauteileigenschaften und der erforderlichen Umformbarkeit. Legierungen der Reihe 5000 (Tabelle 3.5.) eignen sich vor allem dann, wenn nicht die Festigkeit, sondern gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen. Tabelle 3.5. Einsatz von Aluminiumlegierungen der Reihe 5000 Halbzeug Blech Strangpressprofil
Aluminiumlegierung AlMg5Mn (AA 5182) AlMg3 (AA 5754) Al 99,5 (AA 1050) AlMg1 (AA 5005A)
Einsatz im Fahrzeugbau, vorzugsweise für Innenteile im Gerätebau, Bauwesen und der Verpackungsindustrie
Aufgrund ihrer Legierungselemente sind die meist aushärtbaren Legierungen der Reihe 6000 (vgl. Tabelle 3.6.) für höhere Festigkeiten geeignet. Niedriglegierte Werkstoffe wie AA 6060 sind mit AA 5005A vergleichbar. Durch Erhöhung des Kupferanteils weist AA 6061 höhere Festigkeitswer-
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3 Prozessgestaltung
te, allerdings auch eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf. Noch bessere mechanische Eigenschaften bei guter Korrosionsbeständigkeit besitzt AA 6082, wozu auch der höhere Mn-Anteil beiträgt. Hohe Kupfer- und Magnesiumanteile sind charakteristisch für hochfeste Legierungen wie AA 2024 und AA 7075 (vgl. Tabelle 3.7.). Die hohe Festigkeit, die höchsten Beanspruchungen genügt, geht allerdings zu Lasten der Schweißbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit. Tabelle 3.6. Einsatz von Aluminiumlegierungen der Reihe 6000 Halbzeug Blech Strangpressprofil
Aluminiumlegierung AlMg0,4Si1,2 (AA 6016) AlSi1Mg0,8 (AA 6181) AlMgSi0,5 (AA 6060) AlMg1SiCu (AA 6061) AlSi1MgMn (AA 6082)
Einsatz im Fahrzeugbau, vorzugsweise für Außenteile vorwiegend im Fahrzeugbau, jedoch auch im Gerätebau und im Bauwesen mechanisch stark beanspruchte Teile und lasttragende Komponenten im Hoch-, Apparateund Fahrzeugbau, z.B. SpaceFrame-Komponenten
Tabelle 3.7. Einsatz von Aluminiumlegierungen mit hohem Kupfer- und Magnesiumanteil Halbzeug Strangpressprofil
Aluminiumlegierung AlCu4Mg1 (AA 2024) AlZn5,5MgCu (AA 7075)
Einsatz im Flugzeugbau und in der Wehrtechnik, aber auch im Maschinen- und Werkzeugbau sowie im Transportwesen
Zur zielgerichteten Anpassung einzelner Werkstoffe an die gewünschten Anforderungen werden verschiedene thermomechanische Prozessabläufe angewendet. Darüber hinaus gibt es Entwicklungen, die das Erreichen bestimmter Bauteileigenschaften zum Ziel haben: Beispielsweise zeichnet sich die Legierung AA 6014 durch hohe Festigkeit bei respektabler Umformbarkeit aus, wobei gleichzeitig im Wärmebehandlungszustand T7 (lösungsgeglüht, abgeschreckt, warmausgelagert und überhärtet) ausgezeichnete Crasheigenschaften vorhanden sind. Die Eigenschaften stranggepresster Aluminiumrohre genügen oft nicht den geforderten Ansprüchen, so dass Wärmebehandlungen erforderlich sind (s. Tabelle 3.8.). Bei hohen gewünschten Umformgraden ist ein Weichglühen (-O) oder Lösungsglühen (-W) zu empfehlen. Werden lösungsgeglühte Teile an-
3.2 Halbzeugeinsatz
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schließend sofort hydro-umgeformt, so schließt sich diesem Prozess im gut umformbaren Zustand ein Kaltaushärten an. Weichgeglühte Rohre müssen nach dem Umformen lösungsgeglüht und ausgehärtet werden (-O), was nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern auch zusätzliche Eigenspannungen im Bauteil hervorrufen kann. Soll dies vermieden werden, muss ein Warmauslagern erfolgen. Der Erfolg der einzelnen Wärmebehandlungsverfahren ist stark von einer exakten Erwärmungsund Abkühlstrategie abhängig. Tabelle 3.8. Thermomechanische Prozesswege bei stranggepressten Aluminiumrohren nach [63] Prozessweg presshart (-F)
Beschreibung Strangpressen
IHU
pressabgeschreckt (-T1)
Warmauslagern
IHU
kaltausgehärtet (-T4)
Lösungsglühen
überaltert (-T73)
Lösungsglühen und Überalterung
frisch abgeschreckt (-W)
Lösungsglühen
weichgeglüht (-O)
Weichglühen
RT-Aushärtung
IHU
IHU Kaltaushärten
IHU
Temperatur
IHU
Zeit
Magnesiumlegierungen Für die Hydro-Blechumformung ist vor allem die Speziallegierung AZ31B (MgAl3Zn – 3.5312) geeignet. Weitere gut warmumformbare und in Anwendung befindliche Legierungen sind AZ61A (MgAl6Zn – 3.5612) und
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3 Prozessgestaltung
M1A (MgMn2 – 3.5200). Zu beachten ist, dass die für die Umformung wichtigen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom jeweiligen Lieferanten, aber auch von Charge zu Charge noch relativ großen Toleranzen unterliegen. Die Umformung von Magnesiumlegierungen muss heute fast ausschließlich thermisch erfolgen, da die für die Umformung erforderlichen Dehnungswerte erst im Temperaturbereich von 180...230 °C erreicht werden. Zur thermischen Umformung von Magnesiumrohren, -profilen oder -blechen ist eine Erwärmung des Halbzeugs über das Medium oder/und über das Werkzeug erforderlich (s.a. Hauptabschn. 3.5.1). Messinglegierungen In der Klima- und Wärmetechnik dominiert die Anwendung von Messinglegierungen. Umformbare Legierungen sind in [103] dokumentiert. Gute Umformeigenschaften besitzen die CuZn-Legierungen der Festigkeitsklassen F22...F37. Der am häufigsten im Hydro-Umformpozess verwendete Werkstoff ist CuZn37 (2.0321.10), der Bruchdehnungswerte von A5 = 50% aufweist. Kupfer Für Rohr- und Rohrverbindungsstücke im Sanitärbereich ist SF-Cu (2.0090.10) mit einem Mindestbruchdehnungswert von A5 = 40% geeignet. Praktische Anwendungsfälle gibt es außerdem für die Werkstoffe E-Cu (2.0065) und SE-Cu (2.0070). Abschließend sei festgestellt, dass die Werkstoffauswahl sowohl gemäß der geforderten Geometrie und Funktion des Bauteils als auch in Abhängigkeit von der ausgewählten Technologie unter Berücksichtigung der Gesamtprozesskette erfolgen muss. 3.2.2 Rohre und Profile 3.2.2.1 Durchgängige Rohre und Profile Bei der Hydro-Umformung von Rohren und Profilen werden hauptsächlich − − − −
gezogene oder geschweißte Rohre, Doppelwandrohre, axial gefügte oder vorgeformte Rohre oder Strangpressprofile
eingesetzt. Im Weiteren werden hohlförmige Halbzeuge mit kreisrundem Ausgangsquerschnitt als Rohre, Halbzeuge, die keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, als Profile bezeichnet.
3.2 Halbzeugeinsatz
53
Am häufigsten kommen durchgängige Rohre und Profile zur Anwendung. Wegen der höheren Wirtschaftlichkeit wird zunächst versucht, kreisrunde Rohr- oder Profilabschnitte zu verwenden, wobei die Rohre gezogen oder auch walzprofiliert und geschweißt sein können. Muss der Ausgangsquerschnitt von der Kreisform abweichen, kommen Strangpressprofile zum Einsatz (s. Abb. 3.16. ).
Abb. 3.16. Durchgängige Hohlprofile nach [140]
Wesentliche Gründe dafür sind: − komplizierte Bauteilgeometrien, die ansonsten nicht in einem Schritt herstellbar sind (unterschiedliche Wanddicken, Flansche, kleine Radien, Mehrkammerprofile) − günstiges Verhältnis zwischen Steifigkeit und Bauteilgewicht Bei der Verwendung von Strangpressprofilen sind sowohl die durch die Profilecken verursachten Behinderungen des Werkstoffflusses als auch das Andocken und Abdichten an den Stirnflächen der oft komplizierten Querschnittsform problematisch, weshalb die Anwendung dieser Halbzeuge bei Hydroumformoperationen derzeit noch begrenzt ist. In der Regel werden Strangpressprofile mittels Innendruck kalibriert, um enge Toleranzen bezüglich der Form- und Maßgenauigkeit einzuhalten. Da die derzeit bestehenden Normen für Halbzeuge [102] relativ große Toleranzen sowohl in den mechanischen Eigenschaften als auch in Durchmessern und Wanddicken aufweisen2, sollten mit dem jeweiligen Lieferanten Sonderkonditionen mit Einschränkung der Toleranzbereiche verhandelt werden, um zu große Prozessschwankungen und Qualitätsunterschiede zu verhindern. Im Sinne einer technisch und wirtschaftlich optimalen Fertigung sind innerhalb der Arbeitsvorbereitung folgende Forderungen zu erfüllen: − Bei geschweißten Rohren ist auf eine hohe Schweißnahtqualität zu achten, um einem vorzeitigen Bersten der Bauteile an der Nahtstelle unter Einwirkung des Innendrucks vorzubeugen. Nahtüberhöhungen sind zu 2
Erfassungen in Serienproduktionen ergaben bei angelieferten Halbzeugen Wanddickenunterschiede zwischen verschiedenen Chargen und Lieferanten von 0,2...0,3 mm.
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3 Prozessgestaltung
vermeiden. Sind sie dennoch vorhanden, sollten sie abgearbeitet werden. Die Lage der Naht im Fertigteil ist zu berücksichtigen, sie sollte nicht in Bereichen höchster Zugbeanspruchung liegen. − Beim Zuschnitt der Rohre ist sowohl auf die Längentoleranz (Richtwert: ± 0,5 mm) als auch auf die Winkligkeit der beschnittenen Stirnfläche zur Längsachse (Richtwert: ± 0,5°) zu achten. Bei Nichteinhaltung dieser Toleranzen können, vor allem zu Beginn des Umformprozesses, Undichtigkeiten zwischen Dichtstempel und Rohr auftreten; außerdem neigt das Rohr zum Knicken. − Die Trennflächenbereiche sollten nicht deformiert, aber spanfrei und entgratet sein. Das Anlegen von Fasen ist wegen des dann evtl. unsauberen Andockens des Dichtstempels eher als nachteilig anzusehen. Eine dünne Grundbeölung auf dem Halbzeug ist oft vorteilhaft. Sie bietet nicht nur Schutz vor Korrosion, sondern erlaubt auch eine Umformung ohne zusätzliche Schmierung. 3.2.2.2 Konische Rohre Erfordern Bauteile über die Länge signifikante, kontinuierliche Querschnittsunterschiede, deren Realisierung durch Aufweiten im HydroUmformprozess größere Formänderungen des Werkstoffs notwendig machen, als sie bei der Verwendung eines kreisrunden zylindrischen Rohres möglich sind, sollten konische Rohre eingesetzt werden (Abb. 3.17.). Konische Rohre werden vorwiegend nach einem speziellen Verfahren gerollt und mittels Laserschweißen gefügt. Auch konische Rohre können und müssen teilweise vorgeformt werden.
Abb. 3.17. Konisches Rohr (links Halbzeug, rechts umgeformtes, beschnittenes und abgekantetes Fertigteil) [143]
3.2 Halbzeugeinsatz
55
3.2.2.3 Abgesetzte Rohre Komplizierte Bauteile mit großen bzw. häufigen Querschnittsänderungen lassen sich im Hydro-Umformprozess nicht aus zylindrischen Rohren herstellen. Hier ist als Halbzeug ein vorgefertigtes Werkstück einzusetzen, das i.d.R. aus anderen Unternehmen zugeliefert wird. Die bereichsweise aufgeweiteten, vorwiegend jedoch eingezogenen Rohre können beispielsweise durch spezifische Zuschnittsgestaltung, Rollen und anschließendes Schweißen (s. Abb. 3.18.) oder durch Rundschmieden (s. Abb. 3.19.) bzw. Rundkneten bereitgestellt werden. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass als Halbzeug bei der Rohrumformung idealerweise ein gerades zylindrisches Rohr zum Einsatz kommen sollte. Von dieser Form muss in der betrieblichen Praxis oftmals abgewichen werden. Gründe dafür sind die immer komplexer werdenden Bauteile und die Tatsache, dass das Halbzeug sehr sauber in das HydroUmformwerkzeug eingelegt werden muss, um Abquetschungen in der Teilungsebene zu vermeiden. Auf geeignete Vorformtechnologien wird in Hauptabschn. 3.3.1 näher eingegangen. Der Anwender sollte jedoch berücksichtigen, dass eine Vorformung im Allgemeinen das weiterhin für die Hauptumformung zur Verfügung stehende Umformvermögen des Werkstoffs reduziert und partielle Verfestigungen bewirkt.
Abb. 3.18. Halbzeugherstellung bei großen Durchmesserunterschieden: Formzuschnitt – Rollen – Schweißen [WEIL ENGINEERING GMBH]
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3 Prozessgestaltung
Abb. 3.19. Halbzeugherstellung durch Rundschmieden (Veränderung des Durchmessers und der Wanddicke) [GFM GMBH, ÖSTERREICH]
3.2.2.4 Gefügte Rohre und Profile Gefügte Rohre und Profile können als optimierte Halbzeuge bezeichnet werden. Im Wertschöpfungsprozess zum Fertigteil erfordern sie jedoch mindestens noch eine, häufig sogar mehrere Arbeitsstufen. Typische Beispiele gefügter Halbzeuge sind „maßgeschneiderte“ Rohre, so genannte tailored tubes oder tailored welded tubes, die fast ausschließlich bei Rohren, derzeit aber kaum bei Profilen angewendet werden. Grundsätzliche Ausführungsvarianten sind in Abb. 3.20. dargestellt. Höherfester Stahl
Weicher Stahl
Abb. 3.20. Bereiche unterschiedlicher Werkstoffgüten (links) und Wanddicken (rechts)
Bestimmte Bereiche des Rohres, die spezifische funktionale Aufgaben zu erfüllen haben, erhalten entweder unterschiedliche Werkstoffgüten oder es werden Bereiche unterschiedlicher Wanddicken gebildet. In letzterem Fall sollten die Absätze zwischen den einzelnen Bereichen im Rohrinneren liegen; dies ist für die Werkzeugfertigung und vor allem für den Umformprozess günstiger. Auch gefügten Rohren mit unterschiedlichen Wanddicken können differenzierte Werkstoffeigenschaften zugeordnet werden. Die Herstellung von tailored welded tubes erfolgt im Allgemeinen durch Laserschweißen ebener, bereits „maßgeschneiderter“ Platinen, schrittweises Einrollen und anschließendes Fügen durch Laserschweißen.
3.2 Halbzeugeinsatz
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Teilweise werden auch Rohrabschnitte unterschiedlicher Werkstoffgüten oder Wanddicken stirnseitig zusammengeschweißt. Grundsätzliche Ausführungsvarianten sind in Abb. 3.21. dargestellt. tailored welded tube mit Flansch
Werkstoff / Blechdicke 1
e
R
Flansch mit Schweißnaht
R
Werkstoff / Blechdicke 2
tailored welded tube ohne Flansch
Längsschweißnaht
Querschweißnaht
R
R
Werkstoff / Blechdicke 2 Werkstoff / Blechdicke 1
Werkstoff / Blechdicke 2 Werkstoff / Blechdicke 1
Abb. 3.21. Grundsätzliche Ausführungsvarianten von tailored welded tubes nach [33]
Weiterentwickelte Laserschweißtechnologien führten dazu, dass die Nähte der tailored tubes heute nicht nur geradlinig sein müssen. Es sind nahezu beliebige Nahtverläufe möglich. Dabei können auch sehr dünnwandige Verbünde hergestellt und Durchmesser-/Blechdickenverhältnisse von mehr als 60:1 realisiert werden. Die tailored welded tubes werden vor dem Hydro-Umformprozess i.d.R. vorgebogen (Abb. 3.22.).
Abb. 3.22. Vorgebogenes tailored tube [20]
Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung eines verbesserten, „intelligenten“ Halbzeugs bietet die Patchwork-Technik. Mit dieser Methode werden auf die flachen Zuschnitte oder, falls dies technisch möglich ist, auch in ein vorhandenes Rohr oder Profil lokal so genannte Patchbleche auf- bzw. eingebracht. Im umgeformten Zustand bzw. im Fertigprodukt haben diese Patchbleche eine Versteifungsfunktion. Abbildung 3.23. zeigt zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Anordnung von Patchblechen auf einem Grundblech.
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3 Prozessgestaltung
Die Patchbleche und -rohre können sich sowohl in der Wanddicke als auch in der Werkstoffgüte von der Grundausführung unterscheiden. Als Fügeverfahren kommen Schweißen oder Kleben in Betracht. Derzeit gibt es allerdings kaum serienmäßige Anwendungen dieser Technik. Zuschnittsplatine Patchblech
Abb. 3.23. Patchwork-Technik beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen
Bei der Patchwork-Technik werden die Patches vorwiegend innen angeordnet. Allerdings gibt es auch Lösungen, Rohrabschnitte außerhalb des Grundrohres anzubringen. Abbildung 3.24. zeigt geklebte Verstärkungen im Innen- und Außenbereich eines Rohres, eingelegt in ein HydroUmformwerkzeug. Werkzeug Patchblech (Rohrabschnitt) außen
Patchblech (Rohrabschnitt) innen
Grundblech Axialstempel
Abb. 3.24. Patchblech auf dem Innen- und Außenbereich des Grundbleches (Rohres) vor der Umformung
Im umgeformten Zustand stellt sich die Patch-Struktur, wie in Abb. 3.25. dargestellt, ein. Werkzeug Patchblech (Rohrabschnitt) außen
Patchblech (Rohrabschnitt) innen
Grundblech (Rohr) Axialstempel
Abb. 3.25. Hydro-umgeformte Patch-Struktur
Auf die Fügestelle zwischen Grund- und Patchblech sollten möglichst keine großen Zugspannungen wirken, da ansonsten die Haltbarkeit des Verbundes gefährdet ist. In Abb. 3.26. ist ein weiteres Beispiel dargestellt, wie durch zusätzliche geschlossene Rohrabschnitte am Außendurchmesser spezifische Funkti-
3.2 Halbzeugeinsatz
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onsflächen geschaffen werden können. Ergänzende Ausführungen hierzu sind in den Abschnitten 3.3.2.4 und 3.5.3.3 zu finden.
Abb. 3.26. Gefügte Abschnitte
3.2.3 Blechzuschnitte Beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen ist das herstellbare Teilespektrum auf längsachsenorientierte Bauteile beschränkt. Bei der Herstellung komplexerer und komplizierterer, vor allem (groß)flächiger Bauteile durch Hydro-Umformen ist der Einsatz flacher Platinen sinnvoll. Die Variantenvielfalt hinsichtlich der mechanischen Werkstoffeigenschaften ist bei Flachhalbzeugen erheblich größer als bei Rohren und Profilen. Blechzuschnitte sind sowohl in hoher Tiefziehqualität als auch in höher- und hochfesten Stahlsorten geringer Dehnung verfügbar. In der Hydro-Umformung von Blechen kommen vorzugsweise − flache Einzelplatinen, − übereinander gelegte flache Einzelplatinen (teilweise auch als Doppelplatine bezeichnet), − verschiedenartig gefügte Platinen sowie − aus Platinen vorgeformte Umformteile zum Einsatz. Die Verwendung flacher Einzelplatinen beim Hydro-Umformen unterscheidet sich kaum von der konventionellen Umformtechnik. Es werden Rechteck- und Trapezplatinen sowie Formzuschnitte eingesetzt (Abb. 3.27.).
Rechteckplatine
Abb. 3.27. Einzelzuschnitte
Trapezplatine
Formplatine
60
3 Prozessgestaltung
Die in der konventionellen Fertigung übliche Arbeitsweise vom Coil direkt in die Kopfpresse wird bei der Hydro-Umformung bisher kaum angewendet. Die Platine wird entweder mit Hand oder per Feeder oder Roboter in die Hydro-Umformanlage eingelegt. Bei der Verwendung von zwei flachen Einzelplatinen werden im Allgemeinen zwei wesentliche Vorteile erzielt: − gute Passgenauigkeit der Teile zueinander, insbesondere dann, wenn sie zusammen weiterverarbeitet werden − bessere Wirtschaftlichkeit durch eine nahezu halbierte Taktzeit Aus letzterem Grund wird dazu übergegangen, ähnlich wie bei der Rohrfertigung nicht nur zwei, sondern, den Möglichkeiten der Teile- und Anlagengröße entsprechend, vier oder auch mehr Platinen gleichzeitig umzuformen. Bei der Doppelplatinen-Verarbeitung können auch Bauteile mit unterschiedlichen Geometrien, Ziehtiefen und Abwicklungselementen gemeinsam umgeformt werden. Zum Beispiel bereitet die gemeinsame Umformung von zwei Platinen mit einem Verhältnis der Ziehtiefen von 1:3 bis 1:4 keine wesentlichen Schwierigkeiten. Das bedeutet, dass die Abmessungen der beiden Platinen nicht identisch sein müssen. Auch die mechanischen Eigenschaften und Blechdicken können sich unterscheiden. Eine weitere Halbzeugvariante sind gefügte Platinen, wobei folgende Varianten im Vordergrund stehen: − verschweißte Doppelplatinen − tailored blanks − Patchwork-Technik Verschweißte Doppelplatinen (Abb. 3.28.) haben gegenüber den unverschweißten den Nachteil geringerer Geometrievielfalt zwischen den beiden gemeinsam umgeformten Platinen. Es sind nur sehr geringe Ziehtiefenunterschiede möglich. Der Vorteil liegt im Wesentlichen in der absoluten Dichtheit beim Aufbau des Innendrucks. Schweißnaht
pi
Innenhochdruck-Blechumformung
Abb. 3.28. Verschweißte Doppelplatine
3.2 Halbzeugeinsatz
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Zur Realisierung spezieller technologischer Varianten kann auch eine kleinere Platine lokal in einen Grundzuschnitt eingeschweißt werden (Abb. 3.29.).
Schweißnaht pi
Abb. 3.29. Lokal verschweißte Doppelplatine
Tailored blanks (Abb. 3.30.) werden in der konventionellen Umformtechnik erfolgreich zur Herstellung belastungsoptimierter Bauteile eingesetzt. Die dort erprobten Technologien finden zunehmend auch beim Hydro-Umformen Anwendung. Ziel ist es, Bauteilbereiche, die spezifische Funktionen zu erfüllen haben, durch unterschiedliche Werkstoffgüten oder Blechdicken bereits im Halbzeug für die Umformung und den späteren Gebrauch vorzubereiten. Auch in der Blechverarbeitung sollten die Absätze zwischen den einzelnen Bereichen ins Teilinnere gelegt werden; dies ist für die Werkzeugfertigung und vor allem für den Umformprozess günstiger.
A
A
Schnitt A-A
Innenhochdruck-Blechumformung
Schweißnaht
Abb. 3.30. Tailored blank (ausgewähltes Beispiel)
Patchwork-Strukturen werden auch als „intelligente“ Halbzeuge bezeichnet. In Bereichen des Grundzuschnitts, in denen das spätere Produktbauteil besonders belastet ist, werden so genannte Patchbleche aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt hauptsächlich durch Laserschweißen, z.T. wird auch geklebt oder eine kombinierte Füge-/Klebeverbindung gewählt. Diese lokale Verstärkung führt zu verbesserten Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften bei minimalem Gewicht. Das Grundblech kann in den meisten Bereichen eine geringere Blechdicke aufweisen; die Funktion wird
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3 Prozessgestaltung
durch die partiellen Verstärkungen dennoch gesichert. Abbildung 3.31. zeigt Einsatzmöglichkeiten der Patchwork-Technik am Beispiel einer Motorhaube. Hier wurden nur die Schloss- und Scharnierbereiche durch Patchbleche verstärkt. Patches
Anordnung der Patchbleche
Umgeformte Motorhaube
Abb. 3.31. Patchwork-Struktur (Beispiel Motorhaube)
Bei der Umformung gefügter Platinen ist zu berücksichtigen, dass Fügestelle und Blechwerkstoff unterschiedliche Festigkeiten aufweisen. Die Schweißnaht besitzt ein geringeres Formänderungsvermögen; der die Schweißnaht umgebende Bereich des Grundwerkstoffs weist dagegen hohe Formänderungen auf. Dies führt zu Inhomogenitäten im Umformprozess. Im Extremfall kann ein nicht vorhergesehener Versagensfall eintreten. 3.2.4 Umformteile Grundsätzlich können als Halbzeuge für Hydro-Umformbauteile auch konventionell umgeformte Zwischenformen eingesetzt werden. Diese Variante ist vor allem dann sinnvoll, wenn dadurch wirtschaftliche oder funktionale Vorteile erzielbar sind. Derartige Gründe sind z.B.: − Das Bauteil ist kompliziert und komplex; es sind mehrere Umformstufen erforderlich. Durch teilweisen Einsatz der Hydro-Umformung reduziert sich die Anzahl der Umformstufen. − Das Bauteil weist mehrere Nebenformelemente auf, die – nach konventioneller Herstellung der Hauptgeometrie – durch Hydro-Umformung eingebracht werden. − In bestimmten Bauteilbereichen bestehen definierte Steifigkeitsforderungen. Die erforderlichen Werkstoffanhäufungen werden durch das Tiefziehen, die notwendigen Formänderungen durch das Hydro-Umformen erzielt. − Das Bauteil weist in der Geometrie eine große Krümmung auf, so dass das Vorbiegen konventionell und die Endausformung mit Wirkmedium erfolgen sollte.
3.2 Halbzeugeinsatz
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Ein Beispiel für den Einsatz konventionell umgeformter Zwischenformen ist die Kombination Tiefziehen/Hydro-Umformen bei der Herstellung eines Motorradtanks. In Abb. 3.32. ist eine durch Tiefziehen gefertigte Vorform des Tankoberteils dargestellt. Herkömmliche Tanks bestehen aus drei bis fünf Hauptblechteilen, für deren Herstellung insgesamt 15 bis 21 Umform-, Schneid- bzw. Lochoperationen erforderlich wären, wobei das nachfolgende mehrfache Schweißen ebenfalls zu berücksichtigen ist.
Abb. 3.32. Tiefziehteil als Vorform für das Innenhochdruck-Blechumformen (FEM-Simulation)
Durch Kombination konventioneller Tiefzieh- mit Hydro-Umformoperationen kann der Motorradtank aus zwei Hauptblechteilen (Ober- und Unterschale) gefertigt werden. Die erforderlichen Bearbeitungsstufen werden reduziert (6 bis 12). Abbildung 3.33. zeigt die mit fluidem Wirkmedium umgeformte Oberschale. Als Vorform wurde ein Tiefziehteil eingesetzt.
Abb. 3.33. Durch Innenhochdruck-Blechumformung (IHB) hergestellte Oberschale eines Motorradtanks (FEM-Simulation)
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3 Prozessgestaltung
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen 3.3.1 Vorformen 3.3.1.1 Technologischer Aspekt Die Hydro-Umformung von Rohren und Profilen, auch als Innenhochdruck-Umformung (IHU) bezeichnet, ermöglicht die Fertigung komplexer Bauteile mit einer Vielzahl von Nebenformen, deren Längsachsen mehr oder weniger stark von der geraden Hauptform abweichen können. Abhängig von Art und Lage der herzustellenden Haupt- bzw. Nebenformen sind dem IHU durch werkzeug-, werkstoff- und prozessseitige Randbedingungen wie − dem kollisionsfreien Einlegen des Halbzeugs bzw. der Vorform in das IHU-Werkzeug, − dem anschnittsfreien Schließen des IHU-Werkzeugs, − dem Abdichten der Bauteilenden durch die Axialstempel und dem Befüllen mit dem IHU-Medium, − den bauteilspezifischen Werkstoffeigenschaften wie Verfestigungsverhalten und Grenzformänderung, − den wirkenden Reibbedingungen sowie − dem Lastkurvenverlauf pi = f(Faxial) Faxial Axialkraft Innendruck pi verfahrensbedingte Grenzen für eine einstufige Fertigung gesetzt. Abhängig von der Bauteilkomplexität können die genannten Randbedingungen die Entwicklung einer mehrstufigen Prozesskette erforderlich machen, für die auch eine optimierte Vorform für den IHU-Prozess abgeleitet werden muss. Die Festlegung der Vorformgeometrie sowie der Stufenfolge der Vorformoperationen erfolgt mit dem Ziel, die Qualität des IHU-Bauteils sowie einen stabilen IHU-Prozess bei ganzheitlich wirtschaftlicher Prozesskettenauslegung zu gewährleisten. Grundlegende technologische Arbeitsweisen bei der Vorformgestaltung sind gezielte Masseverteilung und Querschnittsvorbildung. Die Masseverteilung dient der Schaffung und Erhaltung von Umformreserven zur Vermeidung von Werkstoffversagen. Dies geschieht durch lokale Materialanhäufungen wie z.B. Wandaufdickungen in Quer-, Längsund Umfangsrichtung am Bauteil oder lokal eingebrachte Formelemente (z.B. Sicken), die die Ausformung spezieller Querschnittsgeometrien im IHU-Prozess begünstigen bzw. die Verwendung geometrisch einfacherer Halbzeuge erlauben.
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
65
Die Halbzeuggeometrie wird der Fertigteilgeometrie durch Querschnittsvorbildung vor dem IHU angenähert. Dies kann partiell in Längs-, Quer- und Umfangsrichtung sowie über die gesamte Halbzeuglänge erfolgen. Ziele sind dabei − die Schaffung eines günstigen Formfüllungsgrades der in das IHUWerkzeug eingelegten Vorform, − die Verringerung der Fließwege und der Kontaktreibung, − die Optimierung der Wanddickenverteilungen, − das Vermeiden des Werkstoffversagens und − die Ausbildung günstiger Konturen an den Bauteilenden zur Vorbereitung des Abdichtens gegen den Innendruck. Die Masseverteilung und/oder Querschnittsvorbildung können sowohl unmittelbar durch die Schließbewegung des Maschinenstößels bzw. durch Verfahrensintegration im IHU-Werkzeug als auch mittelbar in separaten Vorformstufen außerhalb der IHU-Anlage realisiert werden. Wichtige Vorformverfahren sind entsprechend der Unterteilung der Umformverfahren nach DIN 8582 in [93, 94, 95] zu finden. Im Rahmen der IHU-Prozesskette kann nach der Art der herzustellenden Vorformgeometrie in Verfahren zur Vorformung der IHU-Hauptform wie dem Biegen, Gesenk-, Streck- und Querschnittsformen bzw. in Verfahren zur Vorformung von Nebenformelementen wie dem Biegen, Anstauchen, Einziehen, Aufweiten und Sicken unterschieden werden. Aufgrund der Anwendbarkeit sowohl für die lokale und integrale Bauteilvorformung im IHU-Werkzeug als auch in separaten Umformstufen besitzen die Biegeverfahren unter den Vorformverfahren eine herausragende Bedeutung. 3.3.1.2 Verfahrensvarianten Die Vielfalt des durch IHU herstellbaren Teilesortiments wird letztlich von Innovationen, Möglichkeiten und Grenzen der Vor- und Zwischenformgebung geprägt. Nachfolgend sind einige industriell erprobte Verfahrensvarianten und innovative Ausführungsmöglichkeiten erläutert. Wandaufdickung an Hohlprofilen Abbildung 3.34. zeigt eine Vorformvariante zur Masseverteilung durch Druckumformen im IHU-Werkzeug zur Herstellung partieller Wandaufdickungen an Hohlprofilen nach [113]. Das Umformprinzip basiert auf der Längsstauchung ausgewählter Werkstoffbereiche, die zu Vorgangsbeginn aufgrund zusätzlicher Aussparungen in der Werkzeuggravur keinen Kontakt zu dieser besitzen. Entsprechend dem Vorgangsablauf wird ein gerader oder gebogener Profilabschnitt in das Werkzeug eingelegt, der nach
66
3 Prozessgestaltung
dem Schließen der Werkzeughälften, dem Anfahren der Axialkolben und dem Befüllen mit dem IHU-Medium durch den Innendruck pi und die Axialkraft Faxial beaufschlagt wird. Abhängig vom Verlauf der Prozesskurve führt der Innendruckanstieg in den Kontaktbereichen zwischen Profilabschnitt und Werkzeuggravur zum Klemmen der Profilwand am Werkzeug. Durch axiales Nachschieben kann der Profilquerschnitt in den freiliegenden Bereichen der Werkzeuggravur aufgeweitet und gleichzeitig zum Aufstauchen gebracht werden. Wesentlichen Einfluss auf eine fehlerfreie Wandaufdickung besitzen das Wanddicken-Durchmesser-Verhältnis s0/D0, der Bauteilwerkstoff, der Verlauf der Lastkurve pi = f(Faxial), die tribologischen Verhältnisse, die herzustellenden Aufdickungsabmessungen sowie deren Lage am Gesamtbauteil. Variante 1
Werkzeug Haltekante
Variante 2 pi Rohr
Faxial
pi
Faxial Variante 3
Axialstempel
Abb. 3.34. Verfahrensprinzip und Gestaltungsvarianten der Wandaufdickung nach [113] Axialkraft Faxial pi Innendruck
Schwenkbiegen Von den gängigen Biege-Vorformverfahren für Rohre und Profile werden industriell überwiegend die in Abb. 3.35. schematisch dargestellten Schwenkbiegevarianten, das rotatorische Press- und das rotatorische Zugbiegen, angewendet. Beide Varianten sind der einfach fortschreitenden Biegeumformung von stabförmigen Profilen mit konstantem Querschnitt zuzuordnen und arbeiten mit formspeichernden Biegewerkzeugen, die ein Biegen mit Dorn erlauben. Beide Biegeverfahren werden vorzugsweise im kalten Zustand ausgeführt. Beim rotatorischen Pressbiegen wird das freie Ende eines Profilstabs mit Hilfe einer Spannbacke gegen eine Biegeschablone geklemmt, die entsprechend dem Profilquerschnitt ausgeführt ist. Durch tangentiale Schwenkbewegung einer Biegeleiste um die Biegeschablone erfährt die vormals gerade Profillängsachse eine Richtungsänderung und das Profil wird gegen die Biegeschablone gepresst. Biegeschablone und Biegeleiste bilden während der Umformung ein fortschreitendes Kaliber, das ein Ausknicken des Profilquerschnitts verhindert. Die tangential wirkende Um-
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
67
formkraft an der Biegeleiste besitzt einen Hebelarm zum Drehpunkt um die Biegeschablone, so dass ein Biegemoment wirkt. Zur Verbesserung der Reibkontaktbedingungen im Kaliber wird die Biegeleiste oftmals als Biegerolle ausgeführt. Der Biegeradius ist durch die Kontur an der Biegeschablone vorgegeben. Beim rotatorischen Zugbiegen dagegen wird das freie Ende des Profilstabes in einer Gleitleiste geführt und durch ein zur Biegeschablone ortsfest gelagertes Klemmstück gegen die Biegeschablone gedrückt. Biegeschablone, Klemmstück und Gleitleiste sind entsprechend dem Profilquerschnitt ausgeführt. Die Richtungsänderung der Profillängsachse wird durch eine Drehbewegung der Biegeschablone erzielt. Während der Umformung bilden Biegeschablone und Gleitleiste ein ortsfestes Kaliber. Abhängig vom Abstand der Profillängsachse zum Drehpunkt der Biegeschablone existiert ein Hebelarm, der dem herzustellenden Biegeradius entspricht. Rotatorisches Pressbiegen
Rotatorisches Zugbiegen
Biegeschablone
Biegeschablone
Biegeprofil
Biegeprofil
Spannbacke
Gleitleiste
Biegeleiste
Klemmstück
Abb. 3.35. Verfahrensvarianten des Schwenkbiegens von Rohren
Beide Verfahrensvarianten sind durch mehr oder weniger starke Querschnittsdeformationen bzw. Ovalisierungen sowie durch Rückfederung der Profilquerschnitte nach Entlastung der Spannbacke bzw. des Klemmstücks gekennzeichnet. In [57, 82] sind umfangreiche analytische und numerische Ergebnisse zur Rückfederungsberechnung für das rotatorische Zugbiegen dargestellt, die einen Rückfederungsbereich von 1% bis 10% für das Biegen mit bzw. ohne Dorn umfassen. Die herstellbaren bezogenen Biegeradien R/D0 werden vom Einbauraum für die formspeichernde Biegeschablone begrenzt. Nach [123] gilt beim Vorbiegen durch IHU als oberer Grenzwert für den bezogenen Biegeradius R/D0 ≤ 6,0...7,0. Abbildung 3.36. zeigt die Ausführungsform der Werkzeugaktivteile an einer CNCBiegemaschine.
68
3 Prozessgestaltung
Abb. 3.36. Ausführungsform für das rotatorische Zugbiegen [SCHWARZEROBITEC GMBH]
Streckbiegen Weitere Vorformmöglichkeiten sind durch die Verfahrensvarianten des Streckbiegens gegeben. Das Verfahrensprinzip beruht auf der Überlagerung von Zugspannungen entlang der Profillängsachse, um eine stärkere Werkstoffplastifizierung zu realisieren. Die zusätzliche Zugbeanspruchung bewirkt die Verlagerung der neutralen Faser in Richtung Druckbereich, so dass auf der Zugseite höhere und auf der Druckseite niedrigere Dehnungen erzielt werden. In Verbindung mit einer geeigneten Bauteilführung kann eine deutlich geringere Querschnittsdeformation erreicht werden. In der Praxis werden die Verfahrensvarianten Tangentialstreckbiegen und Abrollstreckbiegen, einschließlich des räumlichen Abrollstreckbiegens, unterschieden. Das Tangentialstreckbiegen nach Abb. 3.37. ist durch einen beidseitig eingespannten und unter Zugbeanspruchung stehenden Profilstab gekennzeichnet, dessen Profilquerschnitt sich aufgrund von Relativbewegungen zwischen formspeicherndem Werkzeug und Spannelement an das Werkzeug anlegt. Während des Tangentialstreckbiegens bilden sich zwei ortsveränderliche Umformzonen aus, die bei symmetrischer Prozessauslegung die gleichzeitige Fertigung von linken und rechten Teilen ermöglichen.
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen Spannelement
Werkzeug
Profil
Kraftmessdosen
69
Antrieb mit Kupplung Führungen Antriebsspindel Gelenk Verfahrtisch Maschinentisch Hydraulikzylinder
y z
x
Abb. 3.37. Verfahrensvariante Tangentialstreckbiegen nach [35]
Im Gegensatz zum Tangentialstreckbiegen wird beim Abrollstreckbiegen, wie in [1, 35] dargestellt, das Profil ein- oder beidseitig im Werkzeug gespannt und durch Rotation des Werkzeugs entsprechend der Werkzeugkontur „aufgewickelt". Bei einseitiger Werkzeugeinspannung wird die Überlagerung der Zugspannung durch Krafteinleitung am freien Ende des Profilstabs erzielt. Bei beidseitiger Werkzeugeinspannung der Profilenden sowie bei Ausformung nicht rotationssymmetrischer Biegekonturen muss der Rotationsbewegung eine translatorische Bewegung überlagert werden. Dies kann bei räumlichen Biegekonturen zu sehr komplexen Prozesskinematiken führen. Durch spezielle Andock- und Abdichtsysteme sowie eine adaptive Prozessführung kann das Streckbiegen der Werkzeugschließbewegung überlagert werden. Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung Jüngere Entwicklungen zielen auf die tiefergehende Erschließung neuerer Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung. Eine Variante des Zweiwalzen-Rundbiegens stellt das Profilbiegen mit elastischer Matrize dar. Das Verfahren basiert auf der Umformung eines Profils zwischen einer drehbar gelagerten Walze und einer Elastomer-Matrize. Die Matrize ist in einem starren Koffer eingebettet und bewegt sich während der Umformung in horizontaler Richtung. Durch die gleichzeitige Vertikalbewegung der Walze wird das Profil in die Matrize gedrückt und ein solcher Druck auf das Profil ausgeübt, dass das für die Umformung erforderliche Biegemoment erzeugt wird. Durch diese Verfahrensvariante können sowohl offene als auch geschlossene Profilquerschnitte umgeformt werden. Das Ausknicken der Profilstege an offenen Profilen wird während der Biegeumformung in gewissen Grenzen durch die seitliche Stützwirkung der elastischen Matrize verhindert. Abbildung 3.38. zeigt das Verfahrensschema und die Versuchseinrichtung nach [87].
70
3 Prozessgestaltung
Walze Biegeprofil elastische Matrize Vorschubbewegung
Matrizenkoffer
Abb. 3.38. Verfahrensprinzip und Versuchseinrichtung für das Profilbiegen mit elastischer Matrize nach [87]
Das dreidimensionale Freiformbiegen mit einer HexaBend-Biegemaschine [78] ist eine weitere Möglichkeit der Vorformgebung für Rohre und Hohlprofile. Sie basiert auf Relativbewegungen zwischen einem starren und einem in sechs Achsen beweglichen Biegewerkzeug bei gleichzeitiger Vorschubbewegung des Biegeprofils durch die Biegewerkzeuge hindurch (s. Abb. 3.39.). Die kontinuierliche Umlenkung der geraden Bauteillängsachse ermöglicht die Herstellung dreidimensional gebogener Profilfiguren in großer Länge sowie in Mehrfachkurventechnik als Bogenan/in-Bogen-System. Der parallelkinematische Antrieb des beweglichen Biegewerkzeugs ermöglicht zusätzlich eine lokale Tordierung der Querschnitte entlang der Bauteillängsachse. Für das kinematische Umformprinzip genügen Werkzeuge mit relativ geringem Formspeichergrad, so dass für konstante Querschnittsformen beim Übergang zu neuen Biegekurven kein neuer Werkzeugsatz erforderlich ist. Diese Biegevariante ist dem Biegen mit Moment, Querkraft sowie überlagertem Druck zuzuordnen und kann wahlweise mit und ohne Dorn realisiert werden. Die herstellbaren bezogenen Biegeradien liegen zur Zeit bei R/D0 ≥ 2,5 und hängen von den Grenzen der kollisionsfreien Relativbewegung der Werkzeuge ab.
Profil bewegliches Biegewerkzeug starres Biegewerkzeug Pusher
Biegedorn
Abb. 3.39. Verfahrensprinzip und Ausführungsform HexaBend [78]
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
71
Die in Abb. 3.40. dargestellte Vorformvariante des Strangpressens mit gleichzeitigem mehrachsigen Krümmen ist eine Erweiterung des konventionellen Strangpressens von Hohl- und Vollprofilen. Kennzeichnend für diese Verfahrensvariante ist das Krümmen der Profile parallel zum Strangpressen, so dass die Profile mit definiert gekrümmter Längsachse die ursprünglich nur zum Strangpressen eingesetzte Umformmaschine verlassen. Die Krümmung wird durch Ablenkung des Werkstoffflusses beim Austritt aus der Matrize erzielt, so dass mit Hilfe entsprechend gestalteter und kurz hinter dem Austritt aus der Matrize angebrachter Vorrichtungen (z.B. Führungsrollen) definiert einstellbare Krümmungen der Profillängsachse hergestellt werden können. Diese Krümmungsvariante nutzt das bessere Umformvermögen von profil-, rohr- oder stabförmigen Halbzeugwerkstoffen im warmen Zustand. Stempel
Aufnehmer
Strang
Block
Führungsrolle Matrize
Matrizenhalter
Abb. 3.40. Verfahrensschema und Versuchseinrichtung für das Strangpressen und Krümmen nach [61]
3.3.2 Hauptformgebungsprozess 3.3.2.1 Verfahrensvarianten Basierend auf der VDI-Richtlinie 3146 [126] werden die verschiedenen Verfahrensvarianten des Innenhochdruck-Umformens anhand der während der Umformung wirksamen Spannungen klassifiziert. Unterschieden wird zwischen − − − −
Zug-Druck-Umformung (DIN 8584), Zug-Umformung (DIN 8585), Biege-Umformung (DIN 8586) sowie Schub-Umformung (DIN8587).
72
3 Prozessgestaltung
Zug-Druck-Umformung – Innenhochdruck-Aufweitstauchen Charakteristisch für das Innenhochdruck-Aufweitstauchen ist eine Überlagerung von Zug- und Druckspannungen in der Umformzone. Diese Spannungsüberlagerung resultiert zum einen aus der Einleitung von Zugspannungen infolge einer Erhöhung des Innendrucks, zum anderen aus der Initialisierung von Druckspannungen, die zum Beispiel durch das Nachschieben des Werkstoffs mit Hilfe von Axialstempeln erzeugt werden. Dieses Stauchen bewirkt eine Druckspannungsüberlagerung in der Umformzone, wodurch wesentlich höhere Umformgrade bzw. Formänderungen als durch das Umformen unter Nutzung reiner Zugspannungen erreicht werden können. Beim Innenhochdruck-Aufweitstauchen kann zudem unterschieden werden, ob der Umformprozess in einem geschlossenen oder offenen Werkzeug erfolgt. Für das Innenhochdruck-Aufweitstauchen im geschlossenen Gesenk (Abb. 3.41.) kommen hauptsächlich längsgeteilte Werkzeuge zur Anwendung, die bereits vor Beginn des Umformprozesses geschlossen werden. Während des Innendruckaufbaus wird mit Hilfe von Axialstempeln der Werkstoff in die Umformzone nachgeschoben. Aufgrund dieser Wirkmechanismen ist das erreichbare Umformergebnis wesentlich von der Auslegung des tribologischen Systems im Nachschiebebereich zwischen Werkstück und Bauteil abhängig. Oberwerkzeug
pi pi
Halbzeug
Unterwerkzeug
Faxial
Faxial
Axialstempel
Abb. 3.41. Innenhochdruck-Aufweitstauchen im geschlossenen Gesenk nach [126] Faxial Axialkraft Innendruck pi
Im Gegensatz dazu beginnt der Umformprozess beim InnenhochdruckAufweitstauchen im offenen Gesenk (Abb. 3.42.) bereits bei geöffnetem Umformwerkzeug, wobei dieses normalerweise quergeteilt ist. Das Stauchen bzw. Nachschieben des Werkstoffs in axialer Richtung bei gleichzeitigem Innendruckaufbau erfolgt dabei durch die sich schließenden Werkzeughälften. Zu Beginn des Umformvorganges kommt es somit zum freien
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
73
Aufweiten des Bauteils. Erst am Prozessende und bei geschlossenem Umformwerkzeug wird der Kontakt zwischen Werkstück und formgebender Werkzeuggravur hergestellt. Faxial
Oberwerkzeug Halbzeug
pi
Unterwerkzeug
Faxial
Abb. 3.42. Innenhochdruck-Aufweitstauchen im offenen Gesenk nach [126] Faxial Axialkraft Innendruck pi
Zug-Umformung – Innenhochdruck-Aufweiten Beim Innenhochdruck-Aufweiten (Abb. 3.43.) werden reine Zugspannungen, die durch den steigenden Innendruck initialisiert werden, zur Umformung genutzt. Im Gegensatz zum Innenhochdruck-Aufweitstauchen findet während des Umformprozesses kein axiales Nachschieben des Werkstoffs statt. Die Aufweitung des Bauteils basiert somit allein auf der Reduzierung der Wanddicke des Ausgangshalbzeugs. Für die Durchführung der Umformoperation sind auch hier entsprechende Axialkräfte erforderlich, damit mit Hilfe der Dichtstempel ein Abdichten des Ausgangshalbzeugs erfolgen und somit der Aufbau des Innendrucks gewährleistet werden kann. Oberwerkzeug Halbzeug Dichtstempel
pi
Unterwerkzeug
Abb. 3.43. Innenhochdruck-Aufweiten nach [126] Faxial Axialkraft pi Innendruck
Faxial
74
3 Prozessgestaltung
Zug-Umformung – Innenhochdruck-Kalibrieren Durch das Innenhochdruck-Kalibrieren (Abb. 3.44.) werden bereits vorgeformte Bauteile vollständig ausgeformt. So können zum Beispiel mit Hilfe entsprechender Innendrücke kleine Bauteilradien realisiert werden. Der dabei zu verwendende Kalibrierdruck wird durch die auf die Ausgangswanddicke bezogenen herzustellenden Bauteilradien bestimmt. Da beim Kalibrieren kein Werkstoff durch Nachschieben in die Umformzone transportiert wird, sind für den Kalibrierprozess ausschließlich Zugspannungen verantwortlich, wodurch die Umformung ebenfalls ausschließlich auf der Reduzierung der Ausgangswanddicke beruht. Auch in diesem Fall ist ein Abdichten mit Hilfe von Axialkräften, die durch die Dichtstempel aufgebracht werden, erforderlich. Innenhochdruck-Kalibrierprozesse werden auch zur Gewährleistung und Einhaltung enger Maßtoleranzen eingesetzt, um zum Beispiel durch Ausreckung des Werkstoffs die Genauigkeitsanforderungen von stranggepressten Profilen zu gewährleisten. Oberwerkzeug Vorform Dichtstempel pi
Faxial
Unterwerkzeug
Abb. 3.44. Innenhochdruck-Kalibrieren Axialkraft Faxial pi Innendruck
Biegeumformung – Innenhochdruck-Biegen Ausgangspunkt beim Innenhochdruck-Biegen (Abb. 3.45.) ist die Erzeugung eines Innendrucks im umzuformenden Ausgangshalbzeug (Rohr, Profil), während das Werkzeug noch geöffnet ist. Die Biegeumformung erfolgt durch das Schließen des Werkzeugs; der Druck wirkt als innerer Stützdruck und vermeidet so die Bildung von Falten, die im nachfolgenden Umformvorgang nicht mehr beseitigt werden könnten. Während eine Werkzeughälfte dabei die Funktion des Biegestempels übernimmt, repräsentiert die andere das Biegegesenk. Innenhochdruck-Biegeoperationen werden dann eingesetzt, wenn auf konventionelle Biegeoperationen verzichtet werden soll oder wenn aufgrund der Bauteilkomplexität ein Vorbiegen nicht möglich ist – meist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen.
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
75
Fschließ Oberwerkzeug
Dichtstempel
pi Halbzeug Unterwerkzeug
Abb. 3.45. Innenhochdruck-Biegen nach [126] Fschließ Schließkraft Innendruck pi
Schub-Umformung – Innenhochdruck-Durchsetzen Im Gegensatz zum Innenhochdruck-Biegen wird beim InnenhochdruckDurchsetzen (Abb. 3.46.) in einem bereits geschlossenen Werkzeug umgeformt. Dabei wird im Bauteil wiederum ein Innendruck, der ebenfalls als innerer Stützdruck fungiert, aufgebaut. Die Formgebung wird durch einen Stempel realisiert, der das Bauteil gegen den inneren Druck umformt, wodurch auch hier eine Faltenbildung verhindert werden soll. Das Werkzeug kann so gestaltet sein, dass während des Durchsetzens auf der gegenüberliegenden Seite eine dem Eindringen des Stempels entsprechende Aufweitung erzeugt wird. Diese kann durch ein axiales Nachschieben des Werkstoffs unterstützt werden. Durchsetzoperationen können ebenfalls zur Endformgebung bereits vorgeformter, für die weitere Umformung als Werkstoffreserve dienender Bauteilbereiche dienen. Fdurchsetz
Stülpstempel
Fdurchsetz
Durchsetzstempel Oberwerkzeug Halbzeug pi
pi
Dichtstempel Unterwerkzeug
Gegenstempel Fgegen
Vorform
Abb. 3.46. Innenhochdruck-Durchsetzen sowohl zweiseitig als auch im vorgeformten T-Stück (lokales Stülpziehen) Fdurchsetz Durchsetzkraft Gegenhaltekraft Fgegen Innendruck pi
76
3 Prozessgestaltung
Außenhochdruck-Umformung von Rohren und Profilen Auf dem Gebiet der Rohr- bzw. Profilumformung ist es auch möglich, das umzuformende Halbzeug von außen mit Druck zu beaufschlagen. Diese Verfahrensvariante wird als Außenhochdruck-Umformung (AHU) von Rohren und Profilen bezeichnet [162]. Dabei wirkt der formgebende Umform-(Außen-)druck auf die äußere Mantelfläche des Ausgangshalbzeugs. Dies kann sowohl die gesamte Fläche als auch nur Teilgebiete betreffen. Wie beim Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen ist auch hier ein Nachschieben von Werkstoff in die Umformzone, z.B. mit Hilfe von Axialzylindern, möglich. Eine technologische Variante des Außenhochdruck-Umformens von dünnwandigen Rohren bzw. Profilen beruht auf der Anwendung von formspeichernden Innendornen, mit deren Hilfe definierte Rohr-Innenkonturen erzeugt werden können (s. Abb. 3.47.).
Dorn
pa
Rohr
Abb. 3.47. Verfahrensprinzip des Außenhochdruck-Umformens mit Innendorn Außendruck pa
Werden im Gegensatz dazu keine Innendorne verwendet und erfolgt die innere Abstützung der Mantelfläche mit Hilfe entsprechender Ring- bzw. Spiralstrukturen, entstehen bei Beaufschlagung mit einem entsprechenden externen Druck spontan und selbstorganisierend mehrdimensionale Rechteckstrukturen. Diese so genannten Wölbstrukturen stellen einen irreversiblen Gleichgewichtszustand dar. Das Prinzip dieses Wölbstrukturierungsprozesses wird in Abb. 3.48. veranschaulicht [62, 74, 146]. Charakteristisch für diesen Strukturierungsvorgang ist, dass sich die Lage der Wölbstrukturen von Strukturband zu Strukturband jeweils um die halbe Strukturweite unterscheidet. Die Anzahl der dabei entstehenden Strukturen am Umfang wird durch − − − −
den Werkstoff, die Wanddicke, den Rohrradius bzw. -durchmesser sowie die Stützlänge (Ringabstand)
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
77
bestimmt. Im Vergleich zu Glattrohren zeichnen sich diese Strukturrohre durch positive Steifigkeits-, teilweise Festigkeitseigenschaften aus, was sich z.B. in einer deutlich höheren Biegesteifigkeit widerspiegelt. Die Einsatzwanddicke des Rohres kann dadurch ohne Beeinträchtigungen der Bauteilfunktion deutlich reduziert werden. r
l pa
Stützkörper
Zylinder mit Stützkörper
Erzeugung der Wölbstrukturen
Abb. 3.48. Erzeugung von Wölbstrukturen nach [171] l Stützlänge Außendruck pa r Rohrradius
3.3.2.2 Prozessbeschreibung Am Beispiel der Herstellung eines T-Stücks soll der Ablauf eines IHUProzesses beschrieben werden. Um mit Hilfe dieses Verfahrens Bauteilgeometrien erzeugen zu können, ist ein geteiltes Umformwerkzeug mit einer entsprechenden Gravur erforderlich, wobei die untere Werkzeughälfte im betrachteten Fall auf dem Pressentisch angeordnet und das Werkzeugoberteil am Stößel der IHU-Presse befestigt ist. Einlegen und Befüllen Nach dem Einlegen eines rohrförmigen Ausgangshalbzeugs in das Werkzeugunterteil werden die beiden Werkzeughälften durch Abwärtsbewegung des Pressenstößels geschlossen (Abb. 3.49.). Gegenhaltestempel Werkzeugunterteil Axialstempel
Ausgangshalbzeug
Abb. 3.49. IHU-Werkzeug mit Ausgangshalbzeug (Draufsicht Unterwerkzeug)
78
3 Prozessgestaltung
Die anschließende Abdichtung des Ausgangshalbzeugs erfolgt mit Hilfe von Axialstempeln, die durch entsprechende hydraulische Zylinder angesteuert werden. Um die erforderliche Dichtheit zu gewährleisten, besitzen diese Stempel oft eine spezielle Kopfgeometrie. Über Bohrungen, die entweder in einem oder auch in beiden Axialstempeln vorhanden sind, wird das rohrförmige Ausgangshalbzeug mit dem Druckmedium befüllt (Abb. 3.50.). Damit eingeschlossene Luft aus dem Bauteil entweichen kann, wird während dieser Prozessphase i.d.R. ein Spalt zwischen dem Bauteil und einem der Dichtstempel belassen.
Faxial
Faxial
Abb. 3.50. Befüllen des Ausgangshalbzeugs Axialkraft Faxial
Umformen und Kalibrieren Ist das Ausgangshalbzeug vollständig befüllt, beginnt der eigentliche Umformprozess. Durch den bzw. die in der IHU-Presse integrierten Druckübersetzer wird der für die Umformung erforderliche Innendruck pi bereitgestellt. Mit Hilfe der Axialzylinder wird parallel zum Ansteigen des Innendrucks der Werkstoff nachgeschoben, was häufig mit einem Stauchen der Endbereiche des Halbzeugs verbunden ist (Abb. 3.51.). Dies führt zu einer Überlagerung von Zug- und Druckspannungen in der Umformzone. Auch hier können im Vergleich zum Umformen unter Nutzung reiner Zugspannungen wesentlich höhere Umformgrade bzw. Formänderungen realisiert werden. Mit zunehmendem Innendruck beginnt der Werkstoff zu fließen, der Bauteildom wird ausgeformt. Im betrachteten Beispiel begrenzt ein Gegenhalterstempel, der durch die zunehmende Ausformung des Bauteils verdrängt wird, ein Ausbeulen des Domes. Dadurch wird in diesem Bereich einer übermäßigen Wanddickenreduzierung entgegengewirkt. Während der in die Umformzone geförderte Werkstoff im Bereich des Formelements für die Ausformung des Domes genutzt wird, kommt es auf der gegenüberliegenden Seite des Bauteils zu einer Wandaufdickung. Im Verlauf des Umformvorganges legt sich der Werkstoff unter Wirkung des steigenden Innendrucks immer mehr an die Werkzeuggravur an. Um letztendlich eine vollständige Ausformung des T-Stücks zu erreichen, wird in einer letzten Phase der Umformung die Bauteilgeometrie kalibriert (vgl. Abb. 3.52.). Dabei wird durch die Axialstempel kein Werkstoff mehr in
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
79
die Umformzone transportiert; ein Verdrängen des Gegenstempels ist nicht mehr möglich. Mit dem weiteren Anstieg des Innendrucks kann das Werkstück die Werkzeuggravur vollständig ausfüllen, was allerdings eine Wanddickenreduzierung zur Folge hat. Fgegen
Fgegen
Faxial
pi
Faxial
pi
Faxial
Abb. 3.51. Umformvorgang Faxial Axialkraft Gegenkraft Fgegen Innendruck pi Fgegen
pi
Abb. 3.52. Kalibrieren Gegenkraft Fgegen Innendruck pi
Werkstückentnahme Nach Abschluss des Umformvorganges werden die Axialzylinder in ihre Ausgangspositionen zurückgefahren, der Innendruck im T-Stück wird abgebaut (Abb. 3.53.). Danach kann das Werkzeug mit Hilfe des Pressenstößels geöffnet und das fertig umgeformte Werkstück entnommen werden. T-Stück
Abb. 3.53. IHU-Werkzeug mit umgeformtem T-Stück
80
3 Prozessgestaltung
3.3.2.3 Definition der Prozessparameter
Axialkraft Faxial
Ob es während eines Hydro-Umformprozesses zur Ausbildung typischer Versagensfälle wie Bersten, Falten oder Knicken kommt, hängt entscheidend von der Auswahl der Prozessparameter (z.B. Innendruck pi, Axialkraft Faxial) ab. Diese Parameter müssen innerhalb des Prozessfensters liegen, damit eine Ausformung der gewünschten finalen Bauteilgeometrie stattfinden kann. Mit Hilfe von Arbeitsdiagrammen können die Auswirkungen unabhängiger, sich jedoch gegenseitig beeinflussender Prozessparameter in einem Koordinatensystem dargestellt werden. Durch Kennzeichnung der Bereiche, in denen die typischen Versagensfälle auftreten, lassen sich die entsprechenden Gutteil- bzw. Prozessfenster darstellen. In Abb. 3.54. ist ein schematisches Arbeitsdiagramm für einen Innenhochdruck-Umformprozess (z.B. Aufweitstauchen) dargestellt [126].
Knicken
Bersten
Falten Prozessfenster elast. Formänd.
Leckage
Innendruck pi
Abb. 3.54. Arbeitsdiagramm für einen Innenhochdruck-Umformprozess nach [126]
Die aus dem wirkenden Innendruck pi und den eingebrachten Axialkräften Faxial resultierenden Spannungen müssen die Fließbedingung des Werkstoffs erfüllen. Der wirksame Innendruck darf dabei nicht zu Einschürungen oder zum Bersten führen. Der für die Umformung des Halbzeugs maximal anwendbare Innendruck pi zul lässt sich unter Nutzung der Membrangleichung [29, 30, 177] in erster Näherung berechnen:
pi zul ≈ D0 pi zul Rm s0
2 ⋅ s0 ⋅ Rm D0 − 2 ⋅ s0
Rohrausgangsdurchmesser zulässiger Innendruck Zugfestigkeit Ausgangswanddicke
(3.1)
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
81
Da beim Kalibrieren der finalen Bauteilform das Halbzeug weitestgehend an der Werkzeuggravur zur Anlage gebracht wird und somit ein Bersten des Bauteils in diesen Bereichen nicht mehr möglich ist, kann der erforderliche Kalibrierdruck pi max größer als der für die Umformung angewandte Druck gewählt werden. So lässt sich pi max nach folgender Beziehung näherungsweise ermitteln [177]:
pi max ≈ 1,5 ⋅ pi zul pi max
(3.2)
Kalibrierdruck
Der Kalibrierdruck pi max ist eine Funktion − des kleinsten zu realisierenden Bauteilradius rmin, − der Wanddicke des Halbzeugs s0 sowie − der mechanischen Kennwerte des umzuformenden Werkstoffs (Umformfestigkeit kf). Abbildung 3.55. zeigt die Abhängigkeit des auf die Umformfestigkeit kf bezogenen maximalen Kalibrierdrucks pi max vom Verhältnis des kleinsten auszuformenden Bauteilradius rmin zur Wanddicke s0 des Ausgangshalbzeugs [42].
pimax / kf
3 2 1 0 0
1
2
3 4 rmin / s0
5
Abb. 3.55. Auf die Umformfestigkeit kf bezogener Kalibrierdruck pi max in Abhängigkeit von rmin/s0 nach [42] kf Umformfestigkeit Kalibrierdruck pi max kleinster Innenradius des Bauteils rmin s0 Ausgangswanddicke
Die mit Hilfe der Axialstempel eingebrachten Axialkräfte Faxial müssen eine sichere Abdichtung des Halbzeugs garantieren. Die erforderliche Dichtkraft Fdicht wird nach folgender Formel berechnet:
82
3 Prozessgestaltung
Fdicht = pi ⋅ Astirn Astirn Fdicht pi
(3.3)
Stirnfläche des Axialstempels Dichtkraft Innendruck
Wird während eines Prozesses Werkstoff in die Umformzone nachgeschoben, muss durch die Axialstempel zusätzlich der Reibungswiderstand in der Trennfuge zwischen Werkzeug und Halbzeug überwunden werden. Dieser Kraftanteil wird wie folgt beschrieben:
Freib = µ ⋅ σ ⋅ Areib Areib Freib µ ı
(3.4)
wirksame Kontaktfläche Reibkraft Reibwert Normalspannung
Weiterhin bewirken die Axialkräfte in Verbindung mit dem wirkenden Innendruck die plastische Deformation des rohrförmigen Ausgangsprofils. Die Größe dieses Kraftanteils Fumform wird durch das Verfahrensprinzip bestimmt. Die aufzubringende Axialkraft Faxial ergibt sich somit nach Abb. 3.56. zu jedem Zeitpunkt des IHU-Prozesses aus den Anteilen [42]
Faxial = Fdicht + Freib + Fumform .
(3.5)
Die kritische Knicklast darf jedoch nicht überschritten werden, um ein Ausknicken des Halbzeugs zu vermeiden. IHU-Werkzeug
Fumform Faxial Axialstempel
Fdicht Freib
Halbzeug
Abb. 3.56. Bestandteile der Axialkraft Faxial beim Innenhochdruck-Umformen
Bei der Erzeugung von Formelementen (s. Abb. 3.57.) wird i.d.R. ein Gegenhaltestempel eingesetzt, um einer übermäßigen Wandausdünnung in diesem Bereich entgegenzuwirken. Da dieser mit zunehmender Ausformung des Formelements verdrängt werden muss, ist die Größe der Gegenhaltekraft Fgegen vor allem auf den wirkenden Innendruck pi abzustimmen.
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
83
Fgegen
Ausdünnung
pi
pi
Abb. 3.57. Auswirkung des Gegenhalters auf die Wanddickenverteilung im Formelement
Druck, Stempelweg
Abbildung 3.58. veranschaulicht am Beispiel eines T-Stücks das Zusammenwirken von Innendruckaufbau, Nachschieben und Gegenhalten. Die Kurvenverläufe wurden während eines Tryout ermittelt.
Innendruck pi Axialstempelweg saxial Gegenhaltestempelweg sgegen
Zeit t
Füllen
Umformen
Kalibrieren
Entlasten
Abb. 3.58. Zeitverlauf verschiedener Parameter beim IHU-Prozess
Um eine Ausformung der geforderten Bauteilgeometrie zu gewährleisten, muss während des IHU-Prozesses das Öffnen des Werkzeugs verhindert werden. Mit Hilfe der Umformanlage wird eine entsprechende Schließkraft Fschließ aufgebracht, deren Größe hauptsächlich durch den maximal wirkenden Innendruck pi max (Kalibrierdruck) und die projizierte Bauteilfläche Aproj bestimmt wird. Die erforderliche Schließkraft lässt sich mit Hilfe der folgenden Gleichung ermitteln:
Fschließ = pi max ⋅ Aproj Aproj projizierte Fläche Fschließ Schließkraft pi max maximaler Innendruck
(3.6)
84
3 Prozessgestaltung
3.3.2.4 Typische Prozesslösungen Anhand ausgewählter Beispiele werden im folgenden Abschnitt Prozesslösungen zur Realisierung von IHU-Bauteilen vorgestellt und diskutiert. Abgasteil Die Fertigung von Abgassystemelementen für Kraftfahrzeuge ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der Innenhochdruck-Umformung in der industriellen Praxis. Mit der Herstellung von Doppelteilen kann die Produktivität dieses Verfahrens noch erhöht werden. Die Festlegung der Teilungsbzw. Symmetrieebene derartiger Bauteile wird u.a. durch folgende Kritrien bestimmt: − − − −
Bauteilgeometrie minimaler Halbzeugeinsatz und maximale Werkstoffausnutzung Kraftwirkungen im Umformprozess Gewährleistung eines optimalen Werkstoffflusses
Insbesondere die Ausformbarkeit der bei diesen Bauteilen typischen Nebenformelemente unterstreicht den Handlungsbedarf für Variantenuntersuchungen mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen. So wurde am Beispiel eines Abgasteils der Lageeinfluss der Symmetrieebene untersucht [52], die gleichzeitig die Trennlinie für das Vereinzeln der Bauteile darstellt. Abbildung 3.59. zeigt die dabei untersuchte Variante I. Thickness [mm]
Nachschieben: 55 mm
1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9
Symmetrieebene
Abb. 3.59. Lage der Symmetrieebene (Variante I)
Das Simulationsergebnis zeigte, dass der Dom nicht ausgeformt werden konnte. Trotz Nachschiebens war es nicht möglich, der Umformzone eine ausreichende Werkstoffmenge zuzuführen. In Variante II wurde deshalb die Lage der Symmetrieebene geändert (Abb. 3.60.).
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
85
Symmetrieebene
Thickness [mm] 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
Nachschieben: 50 mm
Abb. 3.60. Lage der Symmetrieebene (Variante II)
Diese Maßnahme führte zu einem deutlich verbesserten Werkstofffluss. Die Wanddickenunterschiede im Bauteil konnten reduziert, der Nachschiebeweg verkürzt und letztlich die Ausformung des Dombereichs gewährleistet werden. Die Simulationsergebnisse wurden anschließend im Realwerkzeug überzeugend bestätigt. Bereits das erste Bauteil konnte als Gutteil abgeformt werden (Abb. 3.61.).
Biegeteil
IHU-Teil
Fertigteil
Abb. 3.61. Stadienfolge zur Realisierung des Realbauteils (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)
86
3 Prozessgestaltung
Verteilerbalken Die Herstellung von Verbindungs- bzw. Kupplungsstücken für Heizungsund Sanitäranlagen basiert gegenwärtig vor allem auf der Verwendung von Strangpressprofilen. Durch mechanische Bearbeitungsprozesse werden die Primär- und Sekundäranschlüsse dieser Verteilerbalken hergestellt (Abb. 3.62.).
Sekundäranschluss Strangpressprofil
Primäranschluss
Abb. 3.62. Verteilerbalken konventioneller Bauart
Die grundlegende Abkehr vom bisherigen Design, der Einsatz dünnwandiger, rohrförmiger Halbzeuge sowie die Anwendung des Innenhochdruck-Umformens ermöglichen die Senkung des Werkstoffeinsatzes und der Fertigungszeiten [172]. Zum Nachweis der umformtechnischen Machbarkeit eines solchen neuartigen Verteilerbalkens wurden Simulationen mit dem FE-Code PAMSTAMP durchgeführt, wobei Ausgangshalbzeuge aus Edelstahl und Messing betrachtet wurden. Der Druckverlauf ist in Abb. 3.63. dargestellt.
Druck in bar
3.000
2.000
1.000
0 0
3
6
9 Zeit in s
12
15
Abb. 3.63. Kurve für den Druckaufbau als Funktion der Zeit
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
87
Im Bereich pi = 0...500 bar steigt die Druckkurve flach an, um eine gute Abdichtung des Halbzeugs zu ermöglichen. Danach erhöht sich die Geschwindigkeit des Druckaufbaus. In dieser Phase wird der Halbzeugdurchmesser vergrößert und im Werkzeug zur Anlage gebracht. Der geringere Druckanstieg im Bereich pi = 1.600...2.000 bar soll zu einer vollständigen Ausformung des Bauteils beitragen. Die Kalibrierung der Verteilerbalkengeometrie erfolgt im Bereich pi = 2.000...3.000 bar. In Abb. 3.64. ist die Wanddickenverteilung nach der Umformung eines Edelstahls X5CrNi18-10 (1.4301) dargestellt. Thinning [.] 0,005 0,0415 0,078 0,1145 0,151 0,1875 0,224 0,2605 0,297 0,3335 0,37
Schnitt A-A
x
y A
A
z
stärkste Ausdünnung
Abb. 3.64. Wanddickenverteilung nach der Umformung
Abbildung 3.65. zeigt einen Verteilerbalken, der unter Einstellung der in der Simulation ermittelten Prozessparameter umgeformt wurde.
Formfelder für Sekundäranschluss Hohlprofil
Flansch
Abb. 3.65. Verteilerbalken
88
3 Prozessgestaltung
In den Formgebungsprozess sind zusätzliche Operationen integrierbar. So kann die gewünschte Flanschkontur mit Hilfe der Axialstempel und eines entsprechend ausgelegten Umformwerkzeugs erzeugt werden. Die Herstellung der Öffnungen für die Sekundäranschlüsse ist mit Hilfe integrierter Lochoperationen möglich. Gebaute IHU-Nockenwelle Zur Herstellung von Nockenwellen kamen in der Vergangenheit massive, vorwiegend geschmiedete oder gegossene Ausgangswellen zum Einsatz, die spanend fertigbearbeitet wurden. Die Abkehr vom früheren Nockenwellendesign, die Verwendung rohrförmiger Halbzeuge sowie der Einsatz separat gefertigter Nocken führten zu gebauten Nockenwellen, was deutliche Einsparungen hinsichtlich des erforderlichen Werkstoffeinsatzes bewirkte. Mit Anwendung der Innenhochdruck-Umformtechnologie können weitere Massereduktionen erreicht werden. Nachfolgend wird der Ablauf des Innenhochdruck-Umformprozesses zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle beschrieben [51, 172]. Nach der Vorbereitung des rohrförmigen Ausgangshalbzeugs durch Sägen und Entgraten wird eine festgelegte Anzahl von Nocken auf das Rohrstück gefädelt und im Umformwerkzeug mit Hilfe von Nockennestern positioniert. Das Werkzeug wird anschließend geschlossen. Es erfolgen das Andocken der beiden Axialstempel sowie das Abdichten des Ausgangshalbzeugs. Die Befüllung des Ausgangshalbzeugs führt zum Druckaufbau. Aufgrund des relativ geringen Innendrucks zu Beginn der Umformoperation wird weiterhin Werkstoff nachgeschoben und damit eine Aufdickung des Rohrendbereichs ermöglicht. Mit steigendem Innendruck wird die Werkzeuggravur zunehmend ausgefüllt, wodurch die Nockensitze sowie die Verbindungen zwischen Nocken und rohrförmigem Halbzeug ausgebildet werden (s.a. Abschn. 3.5.3.3). Abschließend wird bei maximal möglichem Innendruck pi max die finale Bauteilgeometrie kalibriert (Abb. 3.66.).
Abb. 3.66. Gebaute IHU-Nockenwelle
3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen
89
Leichtbau-Nockenwelle Eine weitere Entwicklungsstufe auf dem Gebiet der Leichtbau-Nockenwelle ist die Substitution der massiven Nocken durch im IHU-Prozess hergestellte Nocken, die nachträglich mit verschleißfesten Keramik- oder Hartmetallschichten versehen wurden. Die umformtechnische Herausforderung besteht dabei vor allem in der Ausformung der Nockenkonturen. Zur Machbarkeitsprüfung dieses Nockenwellenkonzepts wurden FiniteElemente-Simulationen (PAM-STAMP) einer praxisrelevanten Versuchswerkstückgeometrie durchgeführt (Abb. 3.67.). Thickness [mm] 0,905 1,08 1,26 1,44 1,61 1,79 1,97 2,15 2,32
Abb. 3.67. Simulation zur Bewertung der Machbarkeit der Leichtbau-Nockenwelle
Die Ausgangswanddicke des Rohres, der Rohrwerkstoff selbst sowie die Nockengeometrie repräsentierten wesentliche, sich unmittelbar auf das Umformergebnis auswirkende Einflussfaktoren. Abbildung 3.68. zeigt die technische Realisierung dieses Nockenwellenkonzepts.
Abb. 3.68. Versuchswerkstück Leichtbau-Nockenwelle
IHU-Strukturbauteil Bei Space-Frame-Konzepten spielt insbesondere die Frage der Verbindung einzelner Komponenten eine große Rolle. Die Nutzung von Gussknoten ist dabei eine Möglichkeit, die einzelnen Profile miteinander zu fügen. Die Substitution dieser gegossenen Bauteile durch IHU-Komponenten kann zu einer weiteren Massereduktion und Kostensenkung beitragen. Nachfolgend
90
3 Prozessgestaltung
wird die Stadienfolge zur Herstellung eines Elements derartiger Strukturbauteile erläutert. In einer ersten Fertigungsstufe wird unter axialem Nachschieben und aktivem Gegenhalten ein T-Stück ausgeformt. In der zweiten Fertigungsstufe erfolgt durch das Schließen der Werkzeughälften eine mechanische Deformation ohne Innendruck. Danach wird durch Kalibrieren ein vollständiges Anlegen an die Werkzeugoberfläche erreicht, der Dom wird aufgeweitet. Die letzte Fertigungsstufe ist das Stülpen gegen geringen Innendruck. Diese Stufenfolge wurde mit Hilfe der Simulation so optimiert, dass Realbauteile hergestellt werden konnten. In Abb. 3.69. sind die Stadienfolgen sowohl für das Simulations- als auch für das Realbauteil dargestellt.
Abb. 3.69. Vergleich Simulation (links) und Realprozess (rechts) eines Strukturbauteils
3.4 Hydro-Blechumformung 3.4.1 Vorformen Bei bestimmten Bauteilen ist es erforderlich, die als Halbzeug eingesetzten Einzelplatinen, Doppelplatinen oder auch gefügten Platinen vorzuformen. Ziel ist es, die einzubringende Formänderung so aufzuteilen, dass im Hauptumformvorgang Versagensfälle vermieden und maximale Gebrauchswerteigenschaften erreicht werden. Die vorgeformten Platinen
3.4 Hydro-Blechumformung
91
müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So muss berücksichtigt werden, dass ein Abdichten gegenüber dem Innendruck gewährleistet wird, was beispielsweise durch einen Flansch an der Formplatine erfolgen kann. 3.4.1.1 Einzelplatinen Als Vorformstufe für die Umformung einer Einzelplatine mit flüssigem Wirkmedium ist das aktive hydromechanische Tiefziehen (aktives Hydromec) bekannt. Hierbei wird die umzuformende Platine entgegen der gewünschten Umformrichtung vorgeformt, um sie anschließend in die gewünschte Umformrichtung zu stülpen (s. Abb. 3.85. in Abschn. 3.4.2.4.). Diese Vorgehensweise dient der Erhöhung der Verfestigung. Bei sehr flachen Bauteilen (z.B. Motorhaube, Dach) ist die Formänderung im Mittenbereich des Bauteils so gering, dass es zu einer Instabilität der Form durch Zurückspringen der umgeformten Platine in die Ausgangsform kommen kann. In diesem Fall wird nicht in allen Bereichen eine Plastifizierung des umzuformenden Bauteils erreicht, so dass die bleibenden Formänderungen nicht zur gewünschten Endform mit akzeptabler Beulsteifigkeit führen. Um diesem Effekt vorzubeugen, ist es notwendig, über die gesamte Bauteilfläche eine genügend große plastische Umformung zu gewährleisten. Durch eine Umformung entgegen der eigentlichen Umformrichtung wird die Platine bereits einer Formänderung unterzogen, die beim Stülpen in die gewünschte Umformrichtung so groß wird, dass dadurch ein formstabileres Bauteil entsteht. Ein zweiter Effekt betrifft die Verteilung der Blechdicken im umgeformten Teil. Beim Vorformen wird die größte Ausdünnung in der Blechmitte erzielt, beim Stülpen und Kalibrieren dagegen in den Randbereichen. Durch das Vorformen kann meist eine kritische Ausdünnung in den Randbereichen vermieden werden. Das Vorformen kann beispielsweise in einem konventionellen Tiefziehwerkzeug oder auch in einem Werkzeug für das hydraulische Tiefziehen erfolgen. Voraussetzung ist die Möglichkeit der Druckbeaufschlagung des im Wasserkasten3 befindlichen flüssigen Druckmediums. Bei Stempel in Ausgangsposition wird der Flanschbereich der Platine auf dem Rand der Matrize mit einer für den Werkstofffluss erforderlichen Niederhaltekraft beaufschlagt. Anschließend wird der Druck durch Einströmen von flüssigem Wirkmedium aufgebaut und so eine Wölbung der Platine in den freien Raum zwischen Ober- und Unterwerkzeug erzeugt. Durch diese freie Ausformung entsteht die o. g. stärkere Formänderung in Bauteilmitte. Durch 3
mit flüssigem Wirkmedium gefülltes Unterwerkzeug, das die Funktion einer formvariablen Matrize übernimmt
92
3 Prozessgestaltung
ein anschließendes Verringern des Flüssigkeitsdrucks im Wasserkasten und das Eintauchen des Formstempels wird die Platine an den Stempel gepresst und durch die Bewegung des Formstempels in die endgültige Umformrichtung gezogen. Dieser zweite Umformvorgang ist mit dem vom hydraulischen Tiefziehen bekannten Prozess identisch. Das durch diese Prozesskombination hergestellte Umformteil besitzt trotz geringer Ziehtiefe eine hohe Form- und Maßgenauigkeit sowie Beulsteifigkeit. Um hohe Ziehtiefen zu erreichen, muss möglichst viel Werkstoff aus dem Randbereich in die Umformzone fließen. Hinderlich für den gewünschten Werkstofffluss ist der hohe Pressdruck der Werkzeugdichtfläche auf den Flanschbereich der umzuformenden Platine. Dieser ist aber notwendig, um eine ausreichende Dichtigkeit zu garantieren, die ihrerseits ein Anwachsen des Innendrucks erlaubt. Aus dieser Problematik ist eine Kombination des konventionellen Tiefziehens mit dem hydraulischen Tiefen entstanden (s. Abb. 3.70.). FStempel FNiederhalter
FStempel FNiederhalter
FNiederhalter
FNiederhalter
Niederhalter Dichtung Stempel Flansch Ziehring
pi
Wasserkasten
Abb. 3.70. Verfahrensablauf der Verfahrenskombination mechanisches Tiefziehen / hydraulisches Tiefen nach [163]
Bei diesem Prozess wird dem hydraulischen Tiefen ein konventioneller Tiefziehvorgang vorangestellt (s.a. Hauptabschn. 3.2.4). Während dieses Vorganges tritt eine große Reibung der umzuformenden Platine am Stempel auf. Durch die Abwärtsbewegung des Stempels wird entsprechend viel Werkstoff aus dem Randbereich in die Umformzone mitgeführt. Am Stempelboden bleibt der Werkstoff nahezu unbelastet. Bei diesem konventionellen Tiefziehvorgang erfolgt keine Berührung des Stempels und der verformten Platine mit dem Matrizengrund, so dass ein Raum zwischen Stempel und Matrizenboden bleibt. Durch einen im Stempel befindlichen Kanal wird flüssiges Wirkmedium auf die den Stempel umschließende Platine geleitet. Der entstehende Druck, der durch permanentes Nachfördern von Flüssigkeit gesteuert werden kann, löst die Platine von der Oberfläche des Stempels ab und drückt sie auf den Grund der Matrize. Dieser Vorgang wird i. Allg. so gestaltet, dass ein Nachfließen von Werkstoff aus dem
3.4 Hydro-Blechumformung
93
Flanschbereich der Platine nicht notwendig ist. Dadurch kann die Schließkraft so weit erhöht werden, dass ein maximaler Innendruck aufgebaut und somit die Umformung auch kleinerer Formelemente ermöglicht werden kann. Die erforderliche Umformung geht hierbei zu Lasten der Wanddicke des Umformteils. Mit dieser Verfahrenskombination lassen sich Ziehtiefen erreichen, die beim konventionellen bzw. hydraulischen Tiefziehen und beim Innenhochdruck-Blechumformen nicht möglich sind. 3.4.1.2 Doppelplatinen Bei der Doppelplatinen-Umformung sind die Möglichkeiten der Vorformung gegenüber der Einzelplatinen-Umformung eingeschränkt. Dies beruht auf der Schwierigkeit, ein formgebendes starres Werkzeug zwischen zwei aufeinanderliegende Platinen zu bringen. Eine Vorformung mittels Stempel oder Ähnlichem aus dem Inneren der Doppelplatine ist nicht möglich. Eine Vorformung von außen kann aber nur für eine der beiden Platinen in die gewünschte Umformrichtung geschehen. Zu diesem Zweck wird in eine der beiden im Werkzeug befindlichen Matrizen ein Stempel integriert. Nach dem Einlegen der Doppelplatine in das Werkzeug wird, wie bei einem konventionellen Tiefziehwerkzeug, der Niederhalter auf den Flanschbereich der Doppelplatine aufgesetzt. Anschließend zieht der Stempel bei seinem Eintauchen in die formgebende Matrize die Doppelplatine in diese Matrize. Für das auf der Gegenseite des Stempels liegende Blech der Doppelplatine erfolgt die Vorformung entsprechend der späteren Umformrichtung. Das den Stempel berührende Blech der Doppelplatine wird entgegen seiner späteren Umformrichtung vorgeformt. Durch das Zurückfahren des Stempels auf die gewünschte Ziehtiefe des an der Stempelseite liegenden Bleches der Doppelplatine entsteht ein Raum, der durch das Druckmedium, das nun in das Innere der Doppelplatine einfließen kann, ausgefüllt wird. Dadurch kommt es zum Wechsel (Stülpen) der Umformrichtung für eines der beiden Bleche der Doppelplatine (s. Abb. 3.71.). Das gestülpte Blech erfährt dabei eine größere Beanspruchung als das schon durch Vorformung in die richtige Richtung gezogene Blech. Wie bei der Vorformung von Einzelplatinen wird auch bei der Vorformung von Doppelplatinen ein erhöhter Werkstofffluss aus dem Flanschbereich in die Umformzone erreicht. Dieser kann aber für eines der beiden Bleche der Doppelplatine nur mit dem Nachteil höherer Werkstoffbeanspruchung erfolgen.
94
3 Prozessgestaltung FStempel FStempel FNiederhalter
FNiederhalter FNiederhalter
FNiederhalter
Niederhalter Stempel Doppelplatine Ziehring Werkzeugunterteil Andocksystem
Abb. 3.71. Verfahrensablauf des Innenhochdruck-Blechumformens einer Doppelplatine, gekennzeichnet durch ein Vorformen beider Platinen in die gleiche Richtung nach [163]
3.4.1.3 Gefügte Platinen Bei komplexen Anforderungen an das fertige Bauteil können Platinen für den Innenhochdruck-Blechumformprozess (IHB-Prozess) aus zwei oder mehreren Teilen bestehen. Beim Fügen derartig komplexer Strukturen werden zwei Prinzipien unterschieden: 1. Stirnseitiges Anordnen der Zuschnitte An geradlinigen oder 2D-Konturen werden die entsprechend zugeschnittenen Halbzeuge verschweißt. Als Halbzeug wird i.d.R. Flachmaterial verwendet. Neue Entwicklungen erlauben auch die Fertigung von Rohren. Dazu wird Flachmaterial stirnseitig zusammengeschweißt, gebogen (gerollt) und anschließend längsnahtgeschweißt. Auch konische Rohre sind nach dieser Technologie realisierbar. Die Strukturen werden unterschiedlich benannt: tailored welded blanks / tailored welded tubes / tubular blanks (s.a. Abschn. 3.2.3). 2. Anordnen der Zuschnitte als Doppelblech (Patchwork-Strukturen) Diese Strukturen, auch engineered blanks genannt, bestehen aus einem Grundblech mit aufgeklebtem (bonded blank) oder thermisch gefügtem Verstärkungsblech (Abb. 3.72.). Patchblech
Grundblech
Abb. 3.72. Prinzip Patchwork-Struktur
3.4 Hydro-Blechumformung
95
Am Rand dieser Patchwork-Strukturen entstehen starke Steifigkeitssprünge. In diesem Bereich treten hohe Belastungen für die Schnittstelle (vor allem für Klebschichten) und das Grundblech auf und begrenzen die Möglichkeiten der Umformung. In Abb. 3.73. ist der Randbereich eines 3 mm Patchbleches auf einem 1 mm Grundblech dargestellt. Es wird ersichtlich, dass die Einhaltung einer gleichmäßigen Klebschichtdicke problematisch ist.
Abb. 3.73. Schnitt durch eine geklebte Patchwork-Struktur (Blechdicke 1 + 3mm)
Thermisch gefügte Patchwork-Strukturen werden bei geringeren Anforderungen an die Festigkeit durch Widerstandspunktschweißen gefertigt, bei höheren Forderungen durch Laserschweißen (s. Abb. 3.74. und 3.75.).
Abb. 3.74. B-Säule mit aufgeschweißten Patches zur Scharnierverstärkung
96
3 Prozessgestaltung
Abb. 3.75. Ausschnitt einer hydro-umgeformten Motorhauben-Patchworkplatine
Die Fügekosten für eine solche Patchwork-Struktur fallen vom lasergeschweißten Verbund über das Kleben bis zum Punktschweißen. Letztere Technologie ist entsprechend als erste eingeführt worden. Dabei werden aber nach dem Umformen i.d.R. noch weitere Schweißpunkte gesetzt, um die Ermüdungsfestigkeit sicher zu stellen. Beim Kleben ist das Problem der elektrischen Kontaktierung des Patches zum Grundblech für die kathodische Tauchlackierung zu beachten. Ein Schweißpunkt löst diese Aufgabe. Wesentliche Aufmerksamkeit ist in einer solchen Doppelstruktur wegen der Korrosionsstabilität dem Spalt zu widmen. Der Klebstoff kann durch das Hochdruckfluid bei geringerer Wasserbeständigkeit beeinträchtigt werden und es ergeben sich Angriffspunkte für Elektrolyte. Ein Lösungsansatz ist die Randabdichtung des Patches durch geeignete Dichtstoffe. 3.4.2 Hauptformgebungsprozess Bei der Hydro-Umformung von Blechen, speziell bei der InnenhochdruckBlechumformung (IHB), wird der Ziehstempel durch ein flüssiges Wirkmedium ersetzt. Die Form des herzustellenden Bauteils wird ausschließlich durch die Werkzeuggravur bestimmt. Zu Prozessbeginn erfolgt eine freie Aufweitung des Halbzeugs in der Umformzone. Bei zunehmendem Druck
3.4 Hydro-Blechumformung
97
kommt es zur Berührung mit der Gravur in der Matrize, bis der Werkstoff schließlich bei maximalem Innendruck vollständig an der Werkzeuggravur anliegt. Ein Fließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich wird, falls erforderlich, zugelassen und ist für das Erreichen größerer Ziehtiefen sogar unabdingbar. Ein frühzeitiges Berühren von Werkstoff und Werkzeuggravur ist nachteilig für das Ausformen von Bauteilen mit großer Ziehtiefe. Die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff ist also im Gegensatz zum hydromechanischen Tiefziehen (s. Abschn. 3.4.2.4) beim Innenhochdruck-Blechumformen nachteilig. Die Innenhochdruck-Blechumformung hat vor allem bei der Umformung von Doppelplatinen ein großes Potenzial. So ist es möglich, in einem Arbeitsgang zwei Platinen umzuformen, die eine unterschiedliche Endform aufweisen. Dies bedingt allerdings das unterschiedliche Einfließen von Werkstoff in die Umformzone. Bei signifikanten Unterschieden der Ziehtiefe der so herzustellenden Bauteile können deshalb nur ungefügte Platinen zum Einsatz kommen. Dadurch ist eine Relativbewegung der Platinen zueinander möglich, die ein optimales Einfließen von Werkstoff in die Umformzone gewährleistet. 3.4.2.1 Prozessbeschreibung Gegenüber dem Hydro-Umformen von Rohren und Profilen, dem Innenhochdruck-Umformen (IHU), ist die Anzahl der Prozessparameter beim Innenhochdruck-Blechumformprozess eher gering. Daher ist es notwendig, den Umformvorgang mit den verbleibenden Prozessparametern so exakt wie möglich zu beeinflussen. Der Umformvorgang im IHB-Prozess lässt sich in zwei Abschnitte einteilen. Zu Beginn erfolgt die Phase des Befüllens und anschließend die des Kalibrierens. Im Folgenden werden beide Phasen separat beschrieben. Befüllen (s. Abb. 3.76.) In dieser Phase findet der größte Teil der Umformung statt. Es herrschen relativ kleine Schließkräfte und ein niedriger Innendruck. Die Platine muss auch hier gegenüber dem Werkzeug bzw. bei der Doppelplatinen-Hydroumformung gegenüber der zweiten Platine so abgedichtet werden, dass ein Innendruck entstehen kann, der ausreicht, die Platine(n) in den Umformraum (Gravur) zu ziehen, ohne dass es zu größeren Wanddickenreduzierungen kommt. Zu diesem Zweck dürfen die Schließkräfte den Werkstofffluss nicht derart behindern, dass das Umformvermögen des Werkstoffs aufgebraucht wird. Bei einer Umformung ohne zusätzliche Dichthilfsmittel, einer reinen Dichtung von Metallflächen, beeinflussen die Genauigkeit der Werkzeugdichtflächen zueinander und die Toleranzen der Platinendi-
98
3 Prozessgestaltung
cke maßgeblich den in Abhängigkeit von der Schließkraft der Werkzeughälften erreichbaren Innendruck. Das Fließen des Werkstoffs in den Umformbereich ist dann nur durch das Ändern der Flanschbreite und der Tribologie zu beeinflussen. Die Flanschbreite kann nicht beliebig verkleinert werden, um ein Fließen von Werkstoff zu begünstigen, da am Ende der Ausformung eine genügend große Flanschbreite erforderlich ist, um den hohen Innendruck halten zu können. Außerdem muss zu Beginn der Umformung der Flansch die Menge an Werkstoff beinhalten, der in die Umformzone einfließen soll. Der Einsatz von Schmierstoffen beschränkt sich nur auf die trockenen Kontaktseiten des umzuformende Halbzeugs. Die andere Seite wird ständig von Hochdruckflüssigkeit aus Leckageverlusten überspült. Dies führt auch zu einer Verminderung der Reibung, die nicht über den gesamten Bereich der Dichtflächen konstant ist. Beim Einfließen von Werkstoff in die Umformzone wird dieser je nach geometrischen Verhältnissen gestaucht bzw. gestreckt. Dies führt zu Dickenänderungen des Bleches im Flanschbereich. An diesen Stellen kommt es zu einer erhöhten Reibung des umzuformenden Werkstoffs mit dem Werkzeugkörper. Als Folge kann es zum vermehrten Abstrecken von Werkstoff über den Einlaufradius bis zum Versagensfall Reißen kommen. Fschließ Oberwerkzeug Dichtstellen
Werkzeuggravur flüssiges Wirkmedium
Bauteil
Unterwerkzeug
Abb. 3.76. Prozess zu Beginn der Umformung (Füllen) nach [9]
Kalibrieren (s. Abb. 3.77.) Mit dem Abschluss der Füllphase bei relativ niedrigen Drücken ist auch der größte Teil der Formgebung erreicht. Anschließend beginnt das Kalibrieren. Dabei wird die Schließkraft derart erhöht, dass eine maximale Dichtheit gegenüber dem Innendruck erreicht wird. Dadurch steigt die Flächenpressung so weit, dass ein Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone verhindert wird. Die Flächenvergrößerung durch die Umformung erfolgt jetzt ausschließlich durch eine Wanddickenverringerung. Tribologische Einflüsse sind in dieser letzten Umformphase zu vernachlässigen. Maßgeblichen Einfluss auf eine erfolgreiche Umformung hat ausschließlich das Restumformvermögen des Werkstoffs.
3.4 Hydro-Blechumformung
99
In dieser Phase können noch letzte kleinere Faltenansätze eliminiert werden. Zur Faltenbildung selbst kommt es nicht. Der Versagensfall Reißen ist in dieser Phase vorherrschend. Dieser Versagensfall muss nicht durch einen plötzlichen Abfall des Innendrucks erkennbar sein. Durch das großflächige Anliegen des Werkstoffs an der Gravurwand ist ein Dichten gegenüber dem Innendruck auch nach dem Versagensfall Reißen oft gewährleistet. Prozessbegleitend können zum Zeitpunkt des höchsten Innendrucks weitere Zusatzoperationen, wie z.B. Lochen, durchgeführt werden. Wenn diese letzte Phase der Umformung erfolgreich abgeschlossen ist, können der Innendruck abgebaut und die Werkzeughälften auseinander gefahren werden. Anschließend wird das umgeformte Bauteil entnommen. Fschließ Oberwerkzeug Dichtstellen pi Werkzeuggravur druckbeaufschlagtes Wirkmedium Unterwerkzeug
Bauteil
Abb. 3.77. Prozess am Ende der Umformung (Kalibrieren) nach [9]
3.4.2.2 Berechnen und Abschätzen Bereits im Vorfeld der Fertigung von Teilen durch Hydro-Umformung ist eine möglichst genaue Ermittlung der einzustellenden Prozessgrößen (vgl. Abb. 3.78.) erforderlich. Für folgende Parameter ist es sinnvoll, schon während der Machbarkeitsuntersuchungen bestimmte Werte, Bereiche oder Grenzen festzulegen: Innendruck Der erforderliche Innendruck pi ist hauptsächlich von der Fließspannung bzw. der Zugfestigkeit des umzuformenden Werkstoffs und vom minimalen auszuformenden Radius des Bauteils abhängig. Der benötigte Innendruck sollte möglichst unter 1.000 bar bleiben, da es sich oft um großflächige Bauteile handelt und die Größe der druckbeaufschlagten Fläche direkt Einfluss auf die notwendige Schließkraft hat. Außerdem ist ein Anteil der Schließkraft für das Dichten gegenüber dem Innendruck notwendig. Dieser muss zusätzlich zur – aus dem Innendruck errechneten – Gegenkraft aufgebracht werden. Die Kosten für Hydro-Umformanlagen steigen exponentiell mit der zur Verfügung stehenden Schließkraft an.
100
3 Prozessgestaltung
Wirtschaftlich noch sinnvoll sind Innendrücke bis ca. 2.500 bar. Die Grenze von 4.000 bar wird aus wirtschaftlichen Gründen heute nur selten überschritten. Der erforderliche Innendruck berechnet sich näherungsweise wie folgt:
pi =
pi Rm rmin s0
2 ⋅ s0 ⋅ Rm ⋅ 10 [bar] s0 · § ¨ rmin − ¸ 2¹ ©
(3.7)
Innendruck [bar] Zugfestigkeit [N/mm²] kleinster Innenradius des Bauteils [mm] Ausgangsblechdicke [mm]
Schließkraft Die Schließkräfte der Hydro-Umformanlagen liegen i.d.R. zwischen 25.000 und 50.000 kN, selten darüber. Schließkräfte von 130.000 kN sind derzeit als obere Grenze anzusehen (z.B. IHU-Anlage RoboClamp® der Fa. Gräbener Maschinentechnik GmbH & Co. KG [26]). Die Schließkraft berechnet sich wie folgt [135]:
Fschließ = Fstat .Gl . gewicht Boden + Fstat .Gl . gewicht Flansch + Fdicht (∆s0 , EWerkzeug ,...) + FNiederhalter Fstat .Gl . gewicht Boden = Aproj Boden ⋅ pi Fstat .Gl . gewicht Flansch = Aproj Flansch ( pi , µ , s0 , k f ,...) ⋅ pi Aproj Boden Aproj Flansch EWerkzeug Fdicht FNiederhalter Fschließ Fstat.Gl.gewicht Boden Fstat.Gl.gewicht Flansch kf pi s0 ∆s0 µ
projizierte Fläche der Gravur projizierte Fläche des Flansches Elastizitätsmodul des Werkzeugwerkstoffs Dichtkraft Niederhalterkraft Schließkraft Gleichgewichtskraft aus Gravurfläche mal Innendruck Gleichgewichtskraft aus Flanschfläche mal Innendruck Umformfestigkeit Innendruck Ausgangsblechdicke Differenz zwischen minimaler und maximaler Ausgangsblechdicke Reibwert
(3.8) (3.9) (3.10)
3.4 Hydro-Blechumformung
101
Fschließ
Fdicht
p
p
FNiederhalter
Fstat.Gl.gewicht Flansch
pi
Fstat.Gl.gewicht Boden
Abb. 3.78. Prozessparameter beim Innenhochdruck-Umformen
Radien Radien sind so groß wie möglich zu wählen, da sie einen unmittelbaren Einfluss auf den erforderlichen Innendruck und damit auch auf die erforderliche Zuhaltekraft ausüben. Die untere Grenze des Bodenradius beträgt rBoden min ≥ 1,5·s0. Da es sich bei Bauteilen, die durch IHB hergestellt werden, oft um großflächige Teile handelt und für die Ausformung sehr kleiner Radien sehr hohe Drücke (bis 4.000 bar) benötigt werden, ist grundsätzlich die erforderliche Schließkraft zu überprüfen. Wenn sehr kleine Radien erforderlich sind und/oder die Schließkraft der IHU/IHB-Anlage nicht ausreicht, ist ggf. ein Nachkalibrieren in einer separaten konventionellen Stufe notwendig; ein zusätzlicher Arbeitsgang, der aber auch zusätzliche Kosten verursacht. Als Richtwert wird deshalb rBoden min ≥ 10·s0 empfohlen. Die Realisierbarkeit der Zwischenwerte ist abzuschätzen bzw. durch FEM-Simulation zu überprüfen. Lochungen und Ausschnitte Die Anzahl der Lochungen bzw. Ausschnitte ist so gering wie möglich zu halten. Lochungen, Ausschnitte und Schnittkantenlängen sind so klein, Eckradien der Ausschnitte so groß wie möglich zu gestalten: reck min ≥ 2·s0. Lochungen und Ausschnitte in Zargenbereichen sowie in Eck- und Radienbereichen sind zu vermeiden. Durch den Lochvorgang kommt es zu einem Druckabfall im Bauteil. Der Druck auf den Werkstoff wird vermin-
102
3 Prozessgestaltung
dert und der Werkstoff kann sich entsprechend dem elastischen Verformungsanteil entgegen der Umformrichtung bewegen. Dies wird hauptsächlich entlang des Zargenbereichs stattfinden. Hier ist ein Verklemmen ausgefahrener Lochstempel zu erwarten. Der Abstand zwischen den einzelnen Lochungen bzw. Ausschnitten ist so groß wie möglich zu halten. Beim Lochen nach innen muss der Lochstempel eine Kraft aufbringen, die es ermöglicht, sowohl den Werkstoffzusammenhalt als auch den im Bauteilinneren herrschenden Druck zu überwinden. Diese Kraft wird auch durch die Größe der Kolbenfläche des Hydraulikzylinders, an dem der Stempel angebracht ist, bestimmt. Die Kolbenfläche bestimmt den benötigten Bauraum und damit auch den minimalen Abstand der Locheinheiten zueinander. Daher kann es notwendig sein, bei vielen Lochungen bzw. großer Schnittkantenlänge das Lochen und Beschneiden in separaten Werkzeugen durchzuführen. Beim Lochen nach außen übernimmt der Innendruck die Funktion des Lochstempels. Die Kraft dieses „liquiden“ Lochstempels wird vom herrschenden Innendruck und von der Fläche des zu lochenden Querschnitts bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass die Kraft aus Innendruck mal Fläche des zu lochenden Querschnitts ebenso groß ist wie die benötigte Schneidkraft aus Schneidfläche mal Scherfestigkeit. Da es sich hier aber nicht um reines Scheren, sondern um einen insbesondere durch Biegen überlagerten Schneidvorgang handelt, wird zweckmäßigerweise mit der Zugfestigkeit Rm gerechnet:
pi ⋅ ALochung = l ⋅ s0 ⋅ Rm
(3.11)
ALochung Fläche der Lochung oder des Ausschnittes l Schnittkantenlänge Rm Zugfestigkeit
Ziehtiefe Günstig sind flache, leicht gewölbte Teile. Für große Ziehtiefen, tiefe senkrechte Zargen, gegenläufige Formfeldbereiche und unsymmetrische Teile mit partiell unterschiedlichen Ziehtiefen ist die Beherrschbarkeit des Werkstoffflusses über Machbarkeitsanalysen zu überprüfen. Gegebenenfalls muss die Niederhalterkraft geregelt bzw. die Flächenpressung zwischen Niederhalter und Bauteilflansch partiell und separat aufgebracht werden. Diese Technik wird heute bereits von den Anlagenherstellern als Mehrpunktziehtechnik angeboten. In besonderen Fällen ist die Schaffung von Materialreserven durch entsprechende Vorformung oder durch gezieltes Einbringen von Materialreservetaschen vorzusehen.
3.4 Hydro-Blechumformung
103
Flanschbereich Anzustreben ist, dass der Flanschbereich in einer Ebene liegt und dadurch ein gleichmäßiger und kontrollierbarer Werkstofffluss ermöglicht wird. Ecken, Sprünge und kleine Radien sind zu vermeiden. Scharfkantige Ecken oder Sprünge sind nicht herstellbar. Kleine Radien begünstigen Faltenbildungen. Absätze Mehrfache, ineinander übergehende Absätze bzw. Übergänge sind zu vermeiden, da jede Kante den Werkstofffluss behindert. Hohe Absätze sind besonders kritisch. Hinterschnitte und Auswerferschrägen Hinterschnitte sind zu vermeiden, da sie mehrfach geteilte Werkzeuge erfordern. Insbesondere bei hohen Zargen sind Auswerferschrägen (ca. ≥ 3°) anzustreben. Bei Bedarf sind im IHB-Werkzeug entsprechende Auswerfer vorzusehen. 3.4.2.3 Erläuterungen zu ausgewählten Prozessparametern Werkzeugschließkraft Zwischen den beiden Werkzeughälften befindet sich der Flansch des umzuformenden Bauteils. Die hier vorliegende Flächenpressung ist von entscheidender Bedeutung für das Fließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone. Zu diesem Zweck muss ein sehr hoher Pressdruck zwischen den Werkzeughälften erzeugt werden. Dieser ermöglicht elastische Formänderungen der Platinen im Bereich der Kontaktflächen, so dass ein flächiges Aufeinanderliegen der Platinen bzw. der Doppelplatinen im Werkzeug die erforderliche Dichtheit gegenüber dem Innendruck garantiert. Außerdem ermöglicht der Druck zwischen Oberund Unterwerkzeug ein Ausgleichen von Dickenschwankungen der Platine bzw. von Fertigungsungenauigkeiten des Werkzeugs. Für den Aufbau des Innendrucks mit Hilfe eines flüssigen Mediums sind diese Ungenauigkeiten so gering wie möglich zu halten. Eine große Flächenpressung zwischen Platine und Werkzeug behindert das Einfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone. Aus diesem Grund ist ein sensibles Steuern der Schließkraft für die Umformung notwendig. Innendruck Der Innendruck erzeugt sowohl die Umformkraft, die den Werkstoff plastisch werden lässt, als auch die Kraft, die es ermöglicht, dass Werkstoff aus dem Randbereich in die Umformzone gezogen wird.
104
3 Prozessgestaltung
Platinenzuschnitt Die Breite des Flansches am Ziehteil ist für den Werkstofffluss in die Umformzone von entscheidender Bedeutung. Ein schmaler Flansch begünstigt den Werkstofffluss. Für das Abdichten gegenüber dem herrschenden Innendruck hingegen ist ein breiter Flansch vorteilhaft. Aus diesem Grund muss bei jedem auszuformenden Bauteil ein tragfähiger Kompromiss zwischen benötigter Flanschbreite und erforderlichem Ziehverhältnis gefunden werden. Tribologie Für das Fließen des Werkstoffs in die Umformzone sind die tribologischen Bedingungen auf den Kontaktflächen zwischen Bauteil und Werkzeugelementen bzw. bei der Doppelplatinen-Umformung auch zwischen den Einzelplatinen von großer Bedeutung (s. Kap. 2.5). Während auf den Kontaktflächen zwischen Bauteil und Werkzeug auf der wirkmedienabgewandten Seite auch leicht haftende Öle und Fette für eine Verbesserung der Gleiteigenschaften eingesetzt werden können, ist ein Einsatz solcher Schmiermittel auf der wirkmedienzugewandten Seite bzw. bei der DoppelplatinenUmformung innerhalb der beiden Platinenhälften nicht sinnvoll. Durch auftretende Leckagen wird es zu einer teilweisen Flüssigkeitsschmierung durch das Wirkmedium kommen. Ein vorhandener Ölfilm würde dabei von dem Wirkmedium weggespült werden. Daher sollte von einem Schmiermitteleinsatz auf den wirkmedienzugewandten Kontaktflächen abgesehen werden. Ist eine Schmierung auf den wirkmedienabgewandten Seiten nicht ausreichend, ist auf der wirkmedienzugewandten Seite mit Ölin-Wasser Emulsionen (HFA-Flüssigkeiten) hoher Konzentration, Festschmierstoffen wie MoS2, Wachsen oder Gleitlacken zu arbeiten. Letztere erfordern allerdings einen hohen Aufwand bei der Reinigung der Bauteile. 3.4.2.4 Verfahrensvarianten Hydraulisches Tiefen Abgeleitet wurde das hydraulische Tiefen vom mechanischen Tiefen. Auch beim hydraulischen Tiefen wird ein Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone verhindert. Die Umformung mit einhergehender Oberflächenvergrößerung geht ausschließlich zu Lasten der Blechdicke. Im Unterschied zum mechanischen Tiefen wird beim hydraulischen Tiefen der Stempel durch ein flüssiges Wirkmedium ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich die Reibung so verringert, dass sich eine deutlich gleichmäßigere Formänderung über die umgeformte Bauteilfläche ergibt und größere Tiefen als beim mechanischen Tiefen erreicht werden können. Der Druck des Wirkmediums wird von einem außerhalb stehen-
3.4 Hydro-Blechumformung
105
den Druckerzeuger bereitgestellt und wirkt auf den umzuformenden Bereich des Bauteils. Besonders Bauteile mit konkaven und konvexen Konturen lassen sich aufgrund der gleichmäßigeren Formänderungsverteilung im Umformbereich besser durch hydraulisches als durch mechanisches Tiefen herstellen (s. Abbildungen 3.79., 3.80. und 3.81.). Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist das hydraulische Tiefen von Doppelplatinen (Abb. 3.82.). Hierfür werden zwei Platinen gleichzeitig umgeformt, wobei eine Platine die Form der Gravur im Oberwerkzeug und die andere die des Unterwerkzeugs annimmt. Über ein Andocksystem wird eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung im Werkzeug und dem Platinenzwischenraum hergestellt. Wegen der gewollten Verhinderung des Nachfließens von Material aus dem Flanschbereich können auch zuvor gefügte Platinenpaare umgeformt werden. FStempel Niederhalter mit oberer Druckplatte Bauteil
pi
Ziehring
FStempel
Abb. 3.79. Hydraulisches Tiefen von Einzelplatinen nach [163] FStempel
Werkzeugoberteil Bauteil
pi
Werkzeugunterteil
FStempel
Abb. 3.80. Hydraulisches Tiefen mit starrer unterer Matrize nach [163]
106
3 Prozessgestaltung FStempel Werkzeugoberteil Bauteil
pi
Werkzeugunterteil FStempel
Abb. 3.81. Hydraulisches Tiefen mit starrer oberer Matrize nach [163] FStempel Werkzeugoberteil Oberteil
Unterteil Werkzeugunterteil
pi
FStempel
Abb. 3.82. Hydraulisches Tiefen von Doppelplatinen nach [163]
Hydromechanisches Tiefziehen Beim hydromechanischen Tiefziehen (auch als Außenhochdruck-Umformung AHU£ publiziert) wird die Matrize im Umformwerkzeug durch ein flüssiges Wirkmedium ersetzt (s. Abb. 3.83.), dessen Druck durch Verdrängen infolge der Abwärtsbewegung des Stempels erzeugt wird. Mit dem Ersetzen einer formgebenden Werkzeughälfte durch das Wirkmedium wird im Vergleich zum mechanischen Tiefziehen die Reibung des Bauteils am Werkzeug verringert, so dass sich die Formänderung gleichmäßiger über den umzuformenden Bereich verteilen kann. Gegenüber dem hydraulischen Tiefen wird beim hydraulischen Tiefziehen das Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich gestattet. Dadurch kann zusätzliches Material in die Umformzone gelangen, welches dann für das Erreichen großer Ziehtiefen genutzt wird. Beim mechanischen Tiefziehen kommt es vor allem am Ziehradius der Ziehmatrize zu großen Wanddickenreduzierungen und dadurch zu einem schnellen Versagen des Bauteils. Durch den Einsatz eines Wirkmediums anstelle eines starren Werkzeugkörpers wird der umzuformende Werkstoff am Einlaufradius angehoben und kann mit stark verminderter Reibung leichter in die Umformzone fließen (s. Abb. 3.84.). Das schnelle Anlegen von Werkstoff an den Ziehstempel zu Beginn der Umformung, hervorgerufen durch den großen Reibungsunterschied zwi-
3.4 Hydro-Blechumformung
107
schen Stempel und Werkstoff bzw. Druckmedium und Werkstoff, begünstigt zusätzlich das Fließen des Werkstoffs aus dem Flanschbereich in die Umformzone. Stempel Niederhalter Platine Dichtung Wasserkasten Druckmedium Pressentisch
FNiederhalter
FNiederhalter
FNiederhalter
FStempel
FNiederhalter
pi
Abb. 3.83. Der Umformvorgang (Hydromec-Verfahren) nach [17] Innendruck pi Niederhalter
Bauteil
Stempel
pi
Wasserkasten
Abb. 3.84. Platineneinlauf am Ziehradius nach [163] Innendruck pi
108
3 Prozessgestaltung
Aktives Hydromechanisches Tiefziehen (Aktives Hydromec) Bei der Herstellung sehr flacher Blechbauteile ist die Formänderung zu gering, um dem Bauteil dauerhaft die gewünschte Form zu geben. Um in solchen Fällen zu höheren Formänderungen zu gelangen, wurde das Aktive Hydromec-Verfahren entwickelt, welches das Einbringen einer Vorformung in die umzuformende Platine ermöglicht (Abb. 3.85.). Hierfür wird die umzuformende Platine durch einen hydrostatischen Druck im Wasserkasten entgegen der finalen Umformrichtung umgeformt. Anschließend wird der Werkstoff analog zum hydraulischen Tiefziehen mit starrem Stempel gegen den hydrostatischen Druck im Wasserkasten gepresst, so dass es schließlich zur Anlage des Werkstoffs an die Form des Stempels kommt. Durch dieses Verfahren kann gewährleistet werden, dass über das gesamte Bauteil ein ausreichender Umformgrad und damit die erforderliche Stabilität der Bauteilform erreicht wird. Stempel Niederhalter Platine Dichtung Wasserkasten Druckmedium Pressentisch FNiederhalter
FNiederhalter
pi
FNiederhalter
FStempel
FNiederhalter
pi
Abb. 3.85. Verfahrensprozesskette – Aktives Hydromec nach [53]
3.4.2.5 Typische Prozesslösungen An Beispielen der Herstellung markanter Bauteile durch Hydro-Umformen werden typische Prozesslösungen des Innenhochdruck-Blechumformens (IHB) vorgestellt: Herstellung einer Automobil-B-Säule Eine beispielhaft realisierte B-Säule besteht aus hochfestem Stahlblech TRIP 700, die Blechdicke beträgt 1,5 mm. Mit Hilfe der Finite-ElementeSimulation (PAM-STAMP) wird der Umformprozess zunächst virtuell abgebildet. Dies ist insbesondere hilfreich zur Vorhersage von Problemstel-
3.4 Hydro-Blechumformung
109
len, die im realen Umformprozess zu erwarten sind. Mit den Ergebnissen der Simulation können schon zu einem frühen Zeitpunkt Änderungen in der Technologie, der Bauteilgeometrie und des Umformwerkzeugs vorgenommen werden. So lassen sich Änderungsschleifen am realen Umformwerkzeug einsparen und dadurch Kosten reduzieren.
Abb. 3.86. Herzustellendes Bauteil
Abbildung 3.86. zeigt die Fertiggeometrie eines typischen Bauteils, das konventionell durch Tiefziehen hergestellt wird. Bei der Umstellung der Fertigungstechnologie auf Hauptformgebung durch InnenhochdruckBlechumformung wurde die Ankonstruktion zunächst ebenso wie bei einem Tiefziehteil gewählt. Das linke Bild in Abb. 3.87. zeigt das Ergebnis einer ersten Umformsimulation. Die markierten Bereiche wurden dabei als die umformtechnisch problematischen Stellen identifiziert. Dies sind im Wesentlichen die Radienbereiche der Dach- und Schwellenanbindung. Die Simulation signalisierte einen dringenden Änderungsbedarf. Im rechten Bild in Abb. 3.87. lassen sich die veränderten Geometriebereiche und deren Auswirkung auf das Umformergebnis erkennen.
110
3 Prozessgestaltung
-0,1 -0,07 -0,04 -0,01 0,02 0,05 0,08 0,11 0,14 0,17 0,2
0,15 0,10 0,06 0,01 -0,04 -0,09 -0,13 -0,18 -0,23 -0,27 -0,32
Abb. 3.87. Bereiche mit problematischer Geometrie (max. Ausdünnung)
Nun wurde im Bereich 1 (Abb. 3.88.) der Bodenradius verändert, da sich dieser als nicht vollständig ausformbar erwies. Dadurch konnte die Ausdünnung an dieser Stelle auf 20% reduziert werden. Im Bereich 2 wurde der Platinenzuschnitt geändert, um eine Verringerung der Faltenbildung zu erreichen. Außerdem wurde, mit dem Ziel eines größeren Werkstoffbedarfs im Bereich 3, das Prägefeld nach außen aufgestellt. -0,1 -0,07 -0,04 -0,01 0,02 0,05 0,08 0,11 0,14 0,17 0,2
2 1
Abb. 3.88. Ausdünnung der gezogenen B-Säule mit Problembereichen
3
3.4 Hydro-Blechumformung
111
Da diese Maßnahme nicht den erwarteten Erfolg brachte, wurde das Prägefeld wieder nach innen gerichtet und in seiner Form und Lage variiert (Abb. 3.89.). Mit der Vergrößerung seiner Tiefe auf 6 mm wurde zwar eine Verringerung der Faltenbildung im unteren Teil der B-Säule erzielt, signifikante Verbesserungen konnten jedoch auch durch weitere Variationen nicht erreicht werden. -0,1 -0,07 -0,04 -0,01 0,02 0,05 0,08 0,11 0,14 0,17 0,2 1
Abb. 3.89. Bereich mit Faltenbildung
Da also eine Veränderung der Gravur der B-Säule keine entscheidende Reduzierung der Faltenbildung erbrachte, wurde nun auf eine Verringerung des Werkstoffflusses aus dem Flanschbereich orientiert (s. Abb. 3.90.). Durch das Einbringen von Sicken in der Flanschebene wird der Werkstoff zurückgehalten. Dadurch gelangt weniger Werkstoff in die Umformzone, was zu einer Verringerung der Faltenbildung führt. Mit diesen Ergebnissen aus der Simulation wurde das IHB-Werkzeug konstruiert und gebaut. Durch praktische Versuche konnten die Ergebnisse aus der Simulation bestätigt werden (s. Abb. 3.91.).
112
3 Prozessgestaltung
-0,1 -0,07 -0,04 -0,01 0,02 0,05 0,08 0,11 0,14 0,17 0,2
1 2
Abb. 3.90. Ausdünnung der gezogenen B-Säule ohne Faltenbildung
800
40.000
Schließkraft Fschließ
600
30.000 400 20.000 Innendruck pi
200
Innendruck in bar
Schließ kraft in kN
50.000
10.000 0
2
4
6 Zeit in s
8
10
Abb. 3.91. Umgeformte B-Säule mit dazugehörigen Prozessparametern Fschließ Schließkraft pi Innendruck
Herstellung einer Scharnierverstärkung Das Bauteil Scharnierverstärkung besteht aus feuerverzinktem Stahlblech St05Z (1.0358) und weist eine Blechdicke von 0,8 mm auf. Um einer wirtschaftlichen Fertigung Rechnung zu tragen, wurde auf Doppelteil- und Doppelplatinen-Umformung orientiert, so dass es möglich wurde, vier Teile in einem Arbeitshub umzuformen. Zunächst erfolgte wiederum eine Machbarkeitsanalyse mittels FEMSimulation (PAM-STAMP). In Abb. 3.92. ist die Scharnierverstärkung mit dem bei der Umformung erfolgten Flanscheinzug zu sehen. Die kritischen Bereiche sind durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet und durch die Farbskala beschrieben.
3.4 Hydro-Blechumformung Bereich des Materialstaus
113
Thinning [.] -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Anfangsberandung Platine
Werkstofffluss
Abb. 3.92. Darstellung des Simulationsergebnisses anhand der Ausdünnung
Das Ergebnis der Simulation ist anhand der Ausdünnung zu erkennen. Die Ausdünnung ergibt sich aus der Gleichung
s Ausdünnung = s0
s1 sAusdünnung
s0 − s1 s0
(3.12)
Ausgangsblechdicke
Blechdicke nach der Umformung Ausdünnung
Als kritisch erwies sich die tiefste Stelle im Bauteil. Durch ungünstige Bedingungen für das Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone ging die Umformung fast ausschließlich zu Lasten der Blechdicke. Im Flanschbereich ergibt sich durch den Werkstofffluss aus verschiedenen Richtungen ein Materialstau, der eine Aufdickung zur Folge hat. Somit kommt es zu einem Klemmen des Werkstoffs in der Schließebene. Dies behindert das Einfließen von Werkstoff in die Umformzone. Trotz dieser ungünstigen Faktoren konnte eine erfolgreiche Ausformung festgestellt werden, da die Menge des eingeflossenen Werkstoffs für die Ausformung ausreichte. Aus der Simulation ist auch ersichtlich, dass die Versteifungssicken, trotz ihrer etwas kritischen Geometrie (kleine Radien, entgegengesetzte Wölbung), ausgeformt werden können (Abb. 3.93.). Nach erfolgreich durchgeführter Machbarkeitsanalyse durch Simulation wurde das Werkzeug konstruiert und gebaut. Anschließend erfolgte die praktische Überprüfung der theoretischen Umformergebnisse.
114
3 Prozessgestaltung
Das ausgeformte Doppelteil ist in Abb. 3.94. dargestellt. Es zeigt das bei einem Umformdruck von 700 bar erzielte Umformergebnis. In Abb. 3.95. ist ein finales Bauteil zu sehen. Thickness [.] -0,0293 -0,006669 0,016 0,0386 0,0612 0,0839 0,1065 0,1292 0,1518 0,1744 0,1971 0,2197 0,2423 0,265 0,2876
Abb. 3.93. Ausformung der Versteifungssicken
Abb. 3.94. Doppelteil
Abb. 3.95. Beschnittenes Bauteil
ausgeformte Versteifungssicke
3.4 Hydro-Blechumformung
115
Machbarkeitsstudie zur Herstellung eines Kraftstoffbehälters durch Hydro-Umformen Am Beispiel des Kraftstoffbehälters für ein Motorrad aus DC 04 (1.0338), Blechdicke 0,8 mm, wurde eine Analyse der fertigungstechnischen Machbarkeit durch Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) vorgenommen. Dabei wurde insbesondere darauf geachtet, dass im Vergleich zur derzeitigen klassischen Fertigungsmethode die Anzahl der Einzelteile reduziert wird und die Schweißnaht auf der Tankoberseite entfällt. Der Kraftstoffbehälter besteht in seinem konventionellen Aufbau aus − dem Tank-Oberteil (Abb. 3.96.), bei dem zwei tiefgezogene Blechhälften durch Schweißen gefügt werden, und − dem Tank-Unterteil (Abb. 3.97.), bei dem drei geformte Blechteile verschweißt werden. Ober- und Unterteil werden zum Kraftstoffbehälter zusammengeschweißt. Diese Technologie ist sehr kostenintensiv, insbesondere durch die aufwändige Nacharbeit der Schweißnaht im Oberteil, die am Fertigteil nicht mehr sichtbar sein darf.
Abb. 3.96. Tank-Oberteil
Abb. 3.97. Tank-Unterteil
116
3 Prozessgestaltung
Ziel der Untersuchungen war die Herstellung beider Tankteile in einem Arbeitsgang durch Innenhochdruck-Blechumformung (IHB), d.h. beide Teile in das IHB-Werkzeug aufzunehmen, gemeinsam umzuformen und auszuprägen, möglichst gleichzeitig zu lochen und im Verbund zu entnehmen (s. Abb. 3.98.). abkanten
vorformen
fertig formen
Fschließ Stößelplatte Prägematrize Doppelplatine (vorgeformt und verschweißt) Seitenschieber
Fdicht
Stempel Druckzuführung Tischplatte
Abb. 3.98. Fertigungsvariante
Zur Verkürzung der Rechenzeiten wurden jeweils selbstständige Arbeitsgänge nach Abb. 3.99. bzw. Abb. 3.100. simuliert (PAM-STAMP). Zur schnellen Ergebniseinschätzung wurde weitgehend mit Modellhälften gerechnet. Fschließ Stößelplatte Prägematrize vorgeformte Platine Seitenschieber Stempel
Fdicht
Druckzuführung Tischplatte
Abb. 3.99. Fertigung Oberteil Stößelplatte Abdeckplatte vorgeformte Platine Druckzuführung Seitenschieber Stempel Tischplatte
Abb. 3.100. Fertigung Unterteil
Fschließ
Fdicht
3.4 Hydro-Blechumformung
117
Bei der Gestaltung des IHB-Werkzeugs ist zu beachten, dass die Aktivteile das Einlegen vor und insbesondere das Entnehmen des Werkstücks nach dem Umformvorgang nicht behindern. Dazu musste eine AktivteilSegmentierung festgelegt werden, die eine sinnvolle Konturteilung ermöglicht und den Werkstofffluss begünstigt bzw. nicht wesentlich behindert. Außerdem war eine die Kompliziertheit des Werkzeugs steigernde und damit verteuernd wirkende Ausführung weitestgehend zu vermeiden. Bei den mit allen Folgeoperationen durchgeführten FEM-Rechnungen für das Tank-Oberteil, von denen die letzte Simulationsvariante in Abb. 3.101. dargestellt ist, war klar erkennbar, dass die Außenhaut im Sichtbereich nicht völlig faltenfrei umgeformt werden kann (Einzelheit Y) und dass im Konturenbereich Fügeflansch (Einzelheit X), in der vorderen Region (Einzelheit Y) sowie im Sitzbereich (Einzelheit Z) Wanddickenschwächungen von ca. 40% auftreten.
Z X
pi = 100 bar
Y
pi = 1.200 bar
Abb. 3.101. Tank-Oberteil nach IHB
Während die zunächst verbliebene Faltenbildung durch intensive Optimierungsrechnungen weitgehend eliminiert werden konnte, ist die große Dehnung und die daraus resultierende Wanddickenverminderung auf die Bauteilkonstruktion zurückzuführen und ohne deren grundlegende Änderung nicht ausreichend zu verhindern. Bei der Simulation des Umformvorganges für das Tank-Unterteil wurde dieses von außen mit Druck beaufschlagt. Dazu war das Ausgangsteil in Form und Abmessungen so zu gestalten, dass während des Umformvorganges möglichst an allen Stellen des Teiles Zugspannungen wirkten, die eine Faltenbildung verhinderten. Gleichzeitig durften diese Spannungen nicht zu einer zu hohen Dehnung (über 25%) und damit unzulässigen Wanddickenreduzierung führen. In Simulationsschleifen – von der Zuschnittsbestimmung über die Auslegung der Ziehteilkontur und damit des Ziehwerkzeugs bis hin zum IHBVorgang – ist es gelungen, die Faltenbildung weitgehend zu reduzieren.
118
3 Prozessgestaltung
Diese Bemühungen gingen jedoch zu Lasten der Wanddicken: Abbildung 3.102. zeigt diese kritischen Stellen in X und Y (ε ≥ 25%) und Z (ε ≥ 30%).
Y
X
Z
Abb. 3.102. Tank-Unterteil nach IHB
Bei der gegebenen Gestaltung des Tank-Unterteils war eine völlige Verhinderung der Faltenbildung nicht möglich. Durch weitere Optimierungsschleifen wurde erreicht, dass Restfalten in Zonen gelenkt wurden, wo sie für Funktion und Aussehen des Tanks bedeutungslos sind. Eine Wanddickenminderung unter 20% war bei der vorliegenden Bauteilkontur trotz vieler Simulationsrechnungen nicht realisierbar. Für das Ober- und Unterteil des Tanks wurde ein Technologievorschlag erarbeitet, der im Wesentlichen auf dem Einsatz des kostengünstigen IHBVerfahrens aufbaut. Damit können mehrere Ziehoperationen und Folgearbeitsgänge sowie Werkzeugkosten in einer Größenordnung von ca. 20% eingespart werden. Der Vorschlag geht davon aus, dass bei einer lokalen Modifizierung des Bauteildesigns von vornherein die Belange und Möglichkeiten des IHB-Vorganges berücksichtigt werden.
3.5 Verfahrensadaption 3.5.1 Thermische Hydro-Umformung Das Hauptziel der temperaturunterstützten Umformenung besteht in der Verbesserung des Umformvermögens bzw. in der Erweiterung der Umformgrenzen schwer umformbarer Werkstoffe, wie z.B. Magnesium- oder Titanlegierungen. Dadurch können die Prozesssicherheit erhöht, die erforderlichen Prozess- und Umformkräfte gesenkt sowie die Form- und Maßgenauigkeit der Bauteile verbessert werden.
3.5 Verfahrensadaption
119
Einige Werkstoffe lassen sich nur durch Temperaturunterstützung sinnvoll umformen. So besitzt zum Beispiel Magnesium aufgrund seiner hexagonalen Gitterstruktur nur eine eingeschränkte Kaltumformbarkeit. Im Vergleich zu Aluminiumlegierungen, die insgesamt 12 Gleitsysteme aufweisen, sind bei Magnesiumwerkstoffen nur drei vorhanden (s. Tabelle 3.9.), was sich negativ auf das Umformverhalten auswirkt [41]. Tabelle 3.9. Verformungsmechanismen bei Magnesium nach [41]
a2
a2
a2
Basisgleitebene (0001)
a
a3 3
a3
a3
a1
c
c
c
a1
Pyramidenebene (2. Ordnung) (1012)
a1
Pyramidenebene (1. Ordnung) (1011)
Durch einen gezielten Wärmeeintrag entstehen zusätzliche Gleitebenen. Im Ergebnis temperierter Zugversuche konnte geschlussfolgert werden, dass die Umformfestigkeit kf von Magnesiumlegierungen mit steigender Temperatur abnimmt und die erreichbaren Formänderungen zunehmen. Vor allem bei Temperaturen über 200 °C zeigte sich ein deutlicher Abfall der Umformfestigkeit bei gleichzeitig hohen Dehnungen. Dieser Festigkeitsabfall weist darauf hin, dass bereits bei diesen Temperaturen thermisch aktivierte Entfestigungsvorgänge im Werkstoff stattfinden und zusätzliche Gleitebenen zum Tragen kommen. So besitzt z.B. die Magnesiumlegierung AZ31 (3.5312) bei einer Temperatur von ϑ = 225 °C ein mit Stahl und Aluminium vergleichbares Umform- bzw. Tiefziehverhalten. Durch Erhöhung der Umformtemperatur können die für den Hydro-Umformprozess typischen Verfahrensvorteile gegenüber der konventionellen Umformtechnik wie − Realisierung komplexer Bauteilgeometrien, − Realisierung hoher Umformgrade sowie − positive Beeinflussung der Bauteileigenschaften (Form-/Maßgenauigkeit, Steifigkeit) auch für im kalten Zustand schwer umformbare Werkstoffe genutzt und das Anwendungsspektrum für Leichtbauwerkstoffe erweitert werden. Voraussetzung für temperaturunterstützte Hydro-Umformprozesse ist, dass ein erwärmtes Wirkmedium zur Verfügung steht und dass auch die
120
3 Prozessgestaltung
Werkzeuge erwärmt werden. In Abb. 3.103. ist ein Temperierungssystem zur Erwärmung des Hochdruckmediums und des IHU-Werkzeugs schematisch dargestellt [84]. Absauganlage incl. Filterung (mobil)
T-IHB-Werkzeug
≤ 330 °C ≤ 800 bar
TIC
temperierter Druckübersetzer Sekundärseite
Elektroerhitzer (60 kW)
Dampfabscheider
≤ 330 °C ≤ 14 bar
Rücklauftank und Wärmetauscher
≤ 330 °C ≤ 12 bar
thermisch entkoppelt
Pumpe
Thermalöl ≤ 345 °C ≤ 3 bar
≤ 330 °C ≤ 12 bar
Primärseite (HFA)
Filter 10 µm
≤ 2.000 bar ≤ 50 °C
zur IHU-Presse Basisträger (mobil)
Abb. 3.103. Temperierungsanlage am Fraunhofer IWU Chemnitz nach [84]
Zur Durchführung thermischer Hydro-Umformprozesse ist die Betrachtung des gesamten umformtechnischen Systems mit seinen Wechselwirkungen erforderlich [110]. Die eingesetzte Werkzeugtechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle. Zu berücksichtigen sind: − − − −
Wärmeausdehnung Wärmeübergang Isolierung (gegenüber Maschine, Umwelt, ...) Absaugeinrichtungen (Gasbildung des Wirkmediums)
Das in Abb. 3.104. dargestellte Referenzobjekt, eine zweiteilige ModellMotorhaube aus der Magnesiumlegierung AZ31B (3.5312), wurde bei einer Prozesstemperatur von ϑ = 225 °C und einem Innendruck von pi = 600 bar hergestellt [159]. Dabei können Innen- und Außenteil in einem Arbeitsgang gemeinsam umgeformt werden.
3.5 Verfahrensadaption
121
Abb. 3.104. Modell-Motorhaube (links: Innenteil; rechts: Außenteil)
Auch Aluminiumwerkstoffe sind bei erhöhten Temperaturen besser umformbar. Die derzeitigen Temperaturgrenzen der thermischen HydroUmformung werden im Wesentlichen durch die zur Verfügung stehenden Wirkmedien bestimmt. Zur Überwindung dieser Temperaturgrenzen können gasförmige Medien eingesetzt werden, mit denen Umformtemperaturen > 1.000 °C realisierbar sind. Somit sind die Potenziale der temperaturunterstützten wirkmedienbasierten Umformung auch für Aluminiumlegierungen, höherfesten Stahl und Titanlegierungen nutzbar. 3.5.2 Metallschaum in Hydro-Umformteilen In den letzten Jahren hat das Interesse an Metallschäumen, insbesondere aus Aluminium und Zink sowie deren Legierungen, deutlich zugenommen. Neue Verfahrensentwicklungen versprechen eine höhere Qualität des geschäumten Metalls sowie eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Reproduzierbarkeit des Schäumungsprozesses. Geänderte Rahmenbedingungen (z.B. Forderung nach Reduzierung des Fahrzeuggewichts und Erhöhung der passiven Sicherheit der Fahrzeuge) führen zu einer höheren Akzeptanz geschäumter Metalle. Ein Beispiel stellt dabei das Aluminium-Space-Frame-Konzept der Fa. Karmann (Abb. 3.105.) dar, das aus Aluminium-Strangpressprofilen und Aluminiumschaum-Sandwichblechen aufgebaut ist [13]. Durch Weiter- bzw. Neuentwicklungen von Verfahren für das Schäumen von Metallen in den letzten Jahren stehen heute schmelz- und pulvermetallurgische Methoden zur Verfügung, bei denen Aufwand und Kosten wesentlich reduziert wurden, die besser zu kontrollieren sind und reproduzierbarere Ergebnisse liefern [144, 151, 152, 155, 156, 157].
122
3 Prozessgestaltung
Abb. 3.105. Aluminium-Space-Frame-Konzept, aufgebaut aus Aluminium-Strangpressprofilen und Aluminiumschaum-Sandwichblechen [WILHELM KARMANN GMBH]
Seit ca. 1990 werden insbesondere mit auf pulvermetallurgischem Weg hergestellten Schäumen Untersuchungen und Tests speziell an crashrelevanten Bauteilen wie z.B. Türseitenaufprallschutz, Stoßfänger, Längs- und Querträger durchgeführt. Dabei wird die relativ hohe Festigkeit der geschäumten Metalle in Verbindung mit ihrem, von der porösen Struktur verursachten, stark degressiven Verformungsverhalten genutzt. Einen Überblick über die allgemeinen mechanischen Eigenschaften von Metallschäumen geben Gibson und Ashby [36], Neugebauer u.a. [44, 77, 85, 86], Degischer [27] sowie [2]. Herstellung von Metallschäumen Zur Herstellung von Metallschäumen stehen grundsätzlich mehrere Verfahren zur Auswahl. Die Möglichkeiten reichen von Abscheidtechniken über schmelzmetallurgische bis zu pulvertechnologischen Verfahren [12, 44, 166]. Die Eigenschaften der Metallschäume sind je nach Herstellungsverfahren unterschiedlich und charakteristisch. In [12, 64, 166] wird ein Kurzüberblick über die wichtigsten schmelz- und pulvermetallurgischen Verfahren gegeben. Bei den schmelzmetallurgischen Verfahren wird der Metallschaum außerhalb des auszuschäumenden IHU-Bauteils erzeugt und anschließend in
3.5 Verfahrensadaption
123
das IHU-Teil eingedrückt. Bei den pulvermetallurgischen Verfahren wird zunächst ein schäumfähiges Halbzeug hergestellt. Dieses wird entweder außerhalb des IHU-Teils geschäumt und anschließend in das Bauteil eingedrückt oder es wird in das IHU-Teil direkt eingelegt und zusammen mit diesem erwärmt, bis es aufschäumt. Für die technische Nutzung von Metallschäumen sind Aufwand und Begrenzung in der Herstellbarkeit von Querschnitten und Volumina von entscheidender Bedeutung. So sind z.B. durch die schmelzmetallurgischen Verfahren großvolumige Bauteile herstellbar, jedoch nur mit geringer Komplexität des Querschnitts und im Zusammenhang mit einer aufwändigen maschinellen Einrichtung. Der Weg über pulvermetallurgische Verfahren erlaubt die Nutzung bereits bekannter Verfahren wie z.B. Pulverpressen. So kann bei der Herstellung des Vormaterials auf bestehende Technologien wie Strangpressen zurückgegriffen werden. Beim Aufschäumen in der Kokille bestehen teilweise Analogien zu bekannten Gusstechnologien. Metallgeschäumte Hydro-Umformteile besitzen folgende Vorteile: − Sehr gute Energieabsorptionseigenschaften: Einsetzbar als Aufprallschutz für das Fahrzeug im Front-, Heck- oder Seitenbereich. Die Einbaurichtung des geschäumten IHU-Teils ist dabei aufgrund seines isotropen Gefüges unabhängig von der Stoßrichtung [158]. − Günstige Steifigkeit bei geringem Gewicht: Durch das partielle (an den crashrelevanten Bereichen) oder vollständige Ausschäumen wird eine wesentliche Verbesserung des Verhältnisses Gewicht – Energieabsorptionsvermögen gegenüber ungeschäumten Hydro-Umformteilen erreicht. − Hoher Wirkungsgrad bei der Schallabsorption, der Resonanzdämpfung und der elektromagnetischen Abschirmung: Einsatzmöglichkeit z.B. als Wärmeschutzschild im Pkw-Motorenbereich, zur Abschirmung der Fahrgastzelle gegen Schallemission und Vibrationen sowie zur Abschirmung der elektronischen Geräte im Pkw. − Eigenschaften sind „maßgeschneidert“ einstellbar: Durch Veränderung der Legierung, der Porengröße, der Dichte und durch partielles Ausschäumen lassen sich die Bauteileigenschaften zielgerichtet einstellen. − Sehr gut und einfach bearbeitbar: Durch alle spanabhebenden Verfahren (Fräsen, Bohren, Sägen etc.) können metallgeschäumte IHU-Teile mechanisch bearbeitet werden. Weiterhin kann der Schaumblock in Grenzen umgeformt sowie durch Schrauben oder Bolzen gefügt werden. − Sehr gut und vollständig recyclebar: Beeinträchtigt nicht die Umwelt.
124
3 Prozessgestaltung
Im Folgenden werden Beispiele für Anwendungspotenziale im Automobilbau vorgestellt: − − − − − − − − − − − − − −
Stoßfänger vorn / hinten Deformationselemente Motorträger Längsträger / Querträger Seitenschweller Dachträger Türverstärkungen Seitenaufprallschutzelemente Überrollbügel Hohle Nockenwellen Modulträger Wärmeschutzschilder Schutzgehäuse etc. A-, B-Säulen (meist lokal)
Die Abbildungen 3.106. bis 3.110. geben einen Überblick über ausgewählte realisierte Beispiele ausgeschäumter hohlkörperförmiger Bauteile.
Abb. 3.106. Space-Frame-Knotenelement mit Aluminiumschaum
Abb. 3.107. Querschnitt durch einen Längsträger mit Aluminiumschaum
3.5 Verfahrensadaption
125
Abb. 3.108. Schnitt durch einen vorderen Pkw-Längsträger im gecrashten Zustand mit und ohne Metallschaum (ALULIGHT INTERNATIONAL GMBH, ÖSTERREICH)
Abb. 3.109. Hydro-umgeformte Pkw-Nockenwelle mit und ohne Aluminiumschaum (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)
Abb. 3.110. IHU-umgeformter Pkw-Stoßfänger (vorn) mit Aluminiumschaum ausgeschäumt [MAGNA IHV GMBH; FRAUNHOFER IWU]
Metallschäume besitzen vorteilhafte physikalische und mechanische Eigenschaften, wodurch sich Anwendungen im Automobil- und Maschinenbau anbieten. Das Schwingungs-, Steifigkeits- und Crash-Verhalten von HydroUmformteilen kann durch das Metallausschäumen wesentlich verbessert werden.
126
3 Prozessgestaltung
3.5.3 Verfahrensintegration 3.5.3.1 Schneiden und Lochen Im Hydro-Umformwerkzeug integrierte Schneidoperationen können entlang geschlossener oder offener Schnittlinien durchgeführt werden. Mögliche Schnittlinienverläufe sind in Abb. 3.111. dargestellt. Eine geschlossene Schnittlinie kann umlaufend (a, c, d) oder nichtumlaufend (e, f) über dem Umfang ausgebildet werden. Außer bei b und g entstehen mindestens zwei Teile. Die Trennebenen können senkrecht, längs und schräg zur Rohrachse verlaufen. a
b
c
d
e
f
g
Abb. 3.111. Schnittlinienverläufe nach [128]
Lochen Lochen im konventionellen Sinn ist einhubiges Schneiden längs einer in sich geschlossenen Schnittlinie zur Erzeugung einer Innenform am Werkstück. Beim Hydro-Umformen kommt überwiegend das Scherschneiden zum Einsatz. Eine wichtige Ergänzung des Hydro-Umformens ist das Schneiden und Lochen im gleichen Werkzeug unter Ausnutzung des Innendrucks. Dieses Verfahren ist durch die Reduzierung der Stufenfolgen nicht nur wirtschaftlicher, sondern bietet auch eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von IHU-Prozessen. Das Lochen mit Innenhochdruck ist ein Schneidvorgang, bei dem die Trennung des Werkstoffs entlang einer geschlossenen Schnittlinie durch das gemeinsame Wirken des Innendruckmediums und eines Werkzeugelements mit geometrisch bestimmtem Schneidkeil auf das Schnittteil erfolgt. Es wird zwischen zwei Verfahrensvarianten unterschieden [145, 147, 153] (vgl. Abb. 3.112.). Beim Innenhochdruck-Lochen (IHL) mit Schneidstempel bilden sich ein Einzug sowie der Grat auf der Innenseite; der Butzen liegt im Rohr. Beim Innenhochdruck-Lochen mit Schneidring entsteht der Grat auf der Außenseite; der Butzen liegt im Schneidring [68].
3.5 Verfahrensadaption
127
b
a pi
Butzen
pi
Rohr/Profil aktiver Schneidstempel Schneidring Gegenhalter FStempel Fgegen
Abb. 3.112. Varianten des Lochens mit Innenhochdruck a) Lochen mit Schneidstempel (von außen nach innen) b) Lochen mit Schneidring (von innen nach außen)
Abweichend vom Scherschneiden mit zwei Werkzeugaktivteilen kommt es beim IHL zu einer zusätzlichen Biegebeanspruchung aufgrund des vergrößerten Abstandes zwischen Schneidkanten und Kraftwirkungslinien, was i.d.R. erhöhte Biegeanteile in der Nähe der Schnittkanten und eine Veränderung des Verhältnisses von Schnitt- zu Bruchzone zur Folge hat. Die Schneidbarkeit bzw. Qualität der Lochoperation beim HydroUmformen wird durch folgende Parameter beeinflusst: − − − − −
mechanische Eigenschaften des Werkstoffs Wanddicke und Lochgeometrie des Bauteils Schneidprinzip Geometrie der Aktivteile Verfahrensparameter (Lochkraft, erforderlicher Innendruck, Schneidgeschwindigkeit, ...)
Ein besonderes Problem beim Innenhochdruck-Lochen ist die Leckage, die insbesondere bei nacheinander ausgeführten Mehrfachlochungen an einem Bauteil zu einer unvollständigen Lochung führen kann. Lochen mit Schneidstempel Beim Lochen mit Schneidstempel (von außen nach innen) wirkt die Schneidkante des Lochstempels auf die Rohrwandung; das Druckmedium wirkt als Schneidmatrize. In Abhängigkeit von der Höhe des Innendrucks und der Steifigkeit des Hydro-Umformteils (verursacht durch Werkstoffeigenschaft, Wanddicke, Werkstückgeometrie) kommt es vor dem eigentlichen Trennvorgang beim Aufsetzen des Schneidstempels auf das Werkstück zur Ausbildung eines mehr oder weniger großen Einzugs entlang der späteren Schnittkante. Ist eine Entfernung des Schneidbutzens aus dem Endteil nicht sichergestellt, kann ein Verfahren gewählt werden, bei dem der Butzen fest am
128
3 Prozessgestaltung
Bauteil verbleibt. Hierzu wird der Lochstempel nur über einen Teilbereich seines Umfangs mit einer Schneidkante versehen, so dass er einen unterbrochenen Schnitt erzeugt. Der Werkstoff wird lediglich im Bereich der scharfen Kante abgeschert; der entstehende Butzen wird durch den eindringenden Lochstempel umgebogen. Man spricht in diesem Fall vom Lochen mit hängen bleibendem Butzen [20]. Das Verhältnis des Rohraußendurchmessers zum Lochstempeldurchmesser hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schnittqualität beim Lochen von Rohren. Je geringer der Unterschied zwischen Rohraußen- und Lochstempeldurchmesser, umso schlechter sind die Lochbedingungen [68]. Lochen mit Schneidring Beim Lochen mit Schneidring (von innen nach außen) verschließt zunächst ein Gegenhalter die Werkzeuggravur. Nach abgeschlossener Umformung wird der Gegenhalter vom Werkstück weg bewegt. Dabei gibt er in der Gravur die Schneidkante frei. Das Wirkmedium übernimmt die Funktion des Schneidstempels und verursacht im Bereich der Schnittkante im Werkstück hohe Scherspannungen, die zum Trennen des Werkstücks führen. Der entstandene Butzen verbleibt im Hohlraum des Schneidringes und wird entweder nach der Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug ausgestoßen oder zunächst mit dem umgeformten Teil aus dem Werkzeug transportiert und später entfernt. Anders als beim Lochen nach innen treten beim Lochen mit Schneidring geringere Einzüge im Schnittkantenbereich auf, da hier die Schneidkraft nach außen wirkt und das Bauteil von der Werkzeuggravur abgestützt wird (s. Abb. 3.113.).
Abb. 3.113. Von innen nach außen gelochtes Bauteil (Ausschnitt) [20]
Durch das Fehlen eines Schneidstempels kann bei diesem Verfahren keine Kalibrierung der Lochkontur erfolgen. Dadurch ist in den meisten Fällen der Lochdurchmesser bis zu mehrere zehntel Millimeter kleiner als der Durchmesser der Schneidmatrize. Zudem ist die Lochwand nicht exakt
3.5 Verfahrensadaption
129
zylindrisch, sondern leicht kegelförmig. Sind höhere Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Lochkontur zu erfüllen, scheidet dieses Verfahren unter Umständen aus. Eine weitere Verfahrensvariante ist die Kombination aus den beiden oben erwähnten Methoden, das so genannte „Halb-Anschneiden des Werkstücks und Zurückziehen des Schneidstempels“. Zunächst fährt der Schneidstempel nach innen und schneidet das Werkstück an. Anschließend fährt der Schneidstempel zurück; das Material wird durch den Schneidring getrennt. Durch diese Variante, die eine komplexe Steuerung erfordert, soll ein möglichst kleiner Schnittgrat bewirkt werden [131]. Schneiden Das Be- bzw. Abschneiden von Rohren im Hydro-Umformwerkzeug kann mit Hilfe einer eingebrachten Nut im Werkzeug erfolgen (vgl. Abb. 3.114.). Die Größe der Radien 1 und 2 sollte dabei so differenziert werden, dass sich der Trennvorgang auf eine Nutseite orientiert. Dies erfordert eine genaue Abstimmung der Einflussparameter wie z.B. Innendruck, Schneidkantenradien, Wanddicke, Nuttiefe usw. [128].
Radius 2
Nut
Radius 1
pi
Faxial
Faxial
Abb. 3.114. Trennvorgang mittels Nut nach [128]
Eine weitere Verfahrensvariante ist das Schneiden mit doppelter Nut. Mit diesem Verfahren lassen sich mehrere Teile in einem Hydro-Umformwerkzeug herstellen, einseitige Verformungen im Bereich des größeren Radius können in einem Abfallteil vereint werden. Für ein erfolgreiches Trennen ist die sichere Beherrschung möglicher Leckstellen erforderlich, damit der Innendruck trotz erster Materialtrennungen aufrecht erhalten wird und ein vollständiger Schneidvorgang erfolgen kann.
130
3 Prozessgestaltung
3.5.3.2 Tiefziehen, Prägen und Biegen Tiefziehen / Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) Eine Voraussetzung für das Innenhochdruck-Blechumformen unverschweißter Doppelplatinen ist die Gewährleistung einer prozessangepassten Abdichtung der Platinen zueinander. Mit Erzeugung einer gemeinsamen Dichtkante kann der jeweilige Innendruckaufbau realisiert werden. Diese Vorgehensweise soll am Beispiel der Herstellung einer Modell-Motorhaube (bestehend aus Innen- und Außenteil) erläutert werden [83, 141]. In der ersten Phase des Umformprozesses werden beide Platinen mit Hilfe eines Stempels, der bereits die Kontur des Innenteils aufweist, tiefgezogen. Dadurch entsteht eine umlaufende Zarge. Entlang des Zargenrandes können nun beide Platinen zueinander abgedichtet werden. In der darauf folgenden Hydro-Umformphase wird die Geometrie des Innenteils durch einen entsprechenden Innendruck erzeugt und das Außenteil kalibriert (Abb. 3.115.). FStempel
FStempel
Abdichtkante
Innenteil pi
Außenteil
Abb. 3.115. Realisierung einer gemeinsamen Abdichtkante
Auch das Innenhochdruck-Blechumformen unverschweißter Platinen, bei dem die Bleche ausschließlich mit Hilfe der aufgebrachten Schließkraft Fschließ abgedichtet werden, ist eine Kombination aus Tiefziehen mit anschließendem Hydro-Umformen [76, 81]. Zum Erreichen einer optimalen Bauteilausformung wird in einer ersten Phase des Umformprozesses, der so genannten Füllphase, eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformgebung angestrebt. Relativ geringe Schließkräfte sollen ein Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur sowie eine Relativbewegung zwischen den Platinen ermöglichen. Der für die Vorformgebung erforderliche Innendruck pi setzt eine entsprechende Dichtheit des Werkzeugsystems voraus. Dieser Prozessschritt ist mit einer Tiefziehoperation vergleichbar, wobei der wirksame Innendruck die Funktion eines Stempels übernimmt. In einer zweiten Phase (Kalibrierphase) wird das Einfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich unter Verwendung größerer Schließkräfte vollständig unterdrückt. Unter maximalem Innendruck pi max wird die Bauteilgeometrie auskalibriert. Dies entspricht einem hydraulischen Tiefen (Abb. 3.116.).
3.5 Verfahrensadaption
131
Werkzeug geöffnet Platinen einlegen
Werkzeug schließen Aufbau des Niederhalterdrucks, Füllen mit Druckmedium über Andocksystem, Umformung bei geringem Innendruck, Werkstoff fließt in die Gravur (Tiefziehen), Relativbewegung zwischen den Platinen möglich Werkzeug geschlossen Einfließen von Werkstoff absperren, Kalibrierung / Endformgebung mit hohem Innendruck, Verfahrensintegration (z.B. Lochen)
Fschließ
pi variabel
Fschließ max
pi max
Abb. 3.116. Vorform- und Kalibrierphase beim Innenhochdruck-Blechumformprozess (IHB)
Tiefziehen / Hydraulisches Tiefen Da der Werkstoff beim Tiefziehen im Bereich des Stempelbodens nur geringen Formänderungen unterliegt, ist es möglich, mit Hilfe von Tiefungsoperationen im Bodenbereich Nebenformelemente herzustellen. Dabei kann zwischen „Tiefen in den Stempel“ und „Tiefen in die Matrize“ unterschieden werden. Für die Realisierung dieser Formelemente bieten sich neben dem mechanischen Tiefen auch hydraulische Tiefungsoperationen an. Abbildung 3.117. zeigt den prinzipiellen Ablauf dieser Verfahrenskombinationen. In Untersuchungen [179, 180] wurde festgestellt, dass im Vergleich zur Verfahrenskombination „Tiefziehen / Mechanisches Tiefen“ bis zu 20% größere Ziehtiefen möglich sind. Weitere Effekte, die auf das hydraulische Tiefen zurückgeführt werden konnten, waren − die Reduzierung der Rückfederung und somit die Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit sowie − die geringere Beeinflussung der Bauteiloberfläche durch das wirkmedienbasierte Umformverfahren.
132
3 Prozessgestaltung p
Niederhalter
Niederhalter
Bauteil
Bauteil
Stempel
Stempel
Dichtung
Dichtung pi pi
p
Abb. 3.117. Verfahrenskombination „Tiefziehen / Hydraulisches Tiefen“
Auf Basis des hydraulischen Tiefens ist auch ein Ausformen von Nebenformelementen im Bereich der Zarge des Tiefziehteils möglich [65]. In Abb. 3.118. ist der prinzipielle Verfahrensablauf dargestellt. Die Herausforderung besteht dabei in der Realisierung geeigneter Dichtungen zwischen den Werkzeugaktivelementen und dem Umformteil. FNiederhalter
p
FNiederhalter
Niederhalter Bauteil geteilter Matrizenring pi Zarge Dichtung
Abb. 3.118. Ausformung von Nebenformelementen im Zargenbereich nach [65]
Außenhochdruck-Umformung / Prägen Eine Anwendungsgrenze wirkmedienbasierter Umformverfahren ist bei der Herstellung kleiner Radien und Formelemente gegeben. Hier sind oft Kalibrierdrücke von pi > 1.000 bar erforderlich. Bei großflächigen Bauteilen, die durch Hydro-Umformung von Blechen hergestellt werden sollen, müssen somit durch die Presse sehr große Schließkräfte aufgebracht werden, um das Zuhalten des Werkzeugs aufgrund des wirksamen Innendrucks zu gewährleisten. Da die zu erzeugenden Nebenformgeometrien oft örtlich begrenzt sind, muss über Strategien nachgedacht werden, die die Ausformung der Form-
3.5 Verfahrensadaption
133
elemente bzw. Radien bei technisch sinnvollen Innendrücken und somit vertretbaren Schließkräften ermöglichen. Ein Ansatz ist es, den für die Ausformung erforderlichen Druck mit Hilfe von elastischen Elementen nur in den Bereichen zu erzeugender Formelemente aufzubringen [173]. In Abb. 3.119. wird dieses Prinzip am Beispiel eines Außenhochdruck-Blechumformprozesses erläutert. Nebenformelement Elastomerkissen
Abb. 3.119. Ausformung von Nebenformelementen mit Hilfe von Elastomerelementen
In der ersten Phase des Umformprozesses erfolgt nur die Formgebung der Bauteil-Hauptgeometrie. Ist diese abgeschlossen, fährt der formgebende Stempel gegen ein entsprechend positioniertes Elastomerkissen, wodurch letztendlich die Nebenformelemente geprägt werden. Mit Hilfe dieser Verfahrenskombination können auch großflächige Blechformteile hergestellt werden. So wurde in diesem Zusammenhang z.B. ein Fahrzeugdach gefertigt, das ein umlaufendes Formelement aufweist. Unter Verwendung elastischer Werkzeugelemente wurde die theoretisch erforderliche Schließkraft von Fschließ = 200.000 kN (ohne Elastomerelemente) auf Fschließ = 25.000 kN reduziert. Hydraulisches Tiefen / Hydromechanisches Tiefziehen Die Verfahrenskombination „Hydraulisches Tiefen / Hydromechanisches Tiefziehen“ ist eine Weiterentwicklung des hydromechanischen Umformens von Platinen. Dabei wird zu Beginn des Umformvorganges, vor dem Eindringen des Stempels, mit Hilfe einer hydraulischen Tiefungsoperation eine Vorform erzeugt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass im Vergleich zu konventionellen Ziehoperationen plastische Umformungen auch in der Mitte großflächiger Bauteile (z.B. Motorhauben, Dächer, etc.) realisiert werden können. Dadurch kann neben einer höheren Bauteilsteifigkeit und -festigkeit im gesamten Bauteil auch eine bessere Formund Maßgenauigkeit gewährleistet werden. Die Vorformung der Platine kann dabei sowohl entgegen (vgl. Abb. 3.85.) als auch in Ziehrichtung erfolgen [46, 161, 163]. Realisierung von Umformoperationen während des Schließens des Werkzeugs Neben der Integration zusätzlicher Umformoperationen in den Hauptformgebungsprozess ist es auch möglich, z.B. Biege- oder Prägeoperationen in
134
3 Prozessgestaltung
den Schließvorgang des Umformwerkzeugs zu implementieren. So können Nebenformelemente im Flanschbereich oder Abkantungen ohne zusätzliche Werkzeuge gefertigt werden, was zur Reduzierung der Prozessschritte und somit zur Senkung der Herstellkosten beitragen kann (s. Abb. 3.120.). FStößel Prägen Biegen
pi
Abb. 3.120. Ausformung von Nebenformelementen im Flanschbereich
3.5.3.3 Fügen Die ohnehin beachtlichen Potenziale bei der Herstellung komplexer Hohlteile durch Hydro-Umformung können durch Verfahrensintegration wesentlich gesteigert werden. Das bedeutet in einer Vielzahl von Fällen das Fügen von Anbauteilen. Stand der Technik sind thermische Fügeverfahren. Meistens wird eine Verbindung im einseitigen Zugang durch konventionelles oder Laserschweißen mit sehr großem bzw. mittlerem Energieeintrag realisiert. Beim zangengeführten Punktschweißen ist ein zweiseitiger Zugang erforderlich. Die Konstruktion der Bauteile muss auf die Zugänglichkeit zur Realisierung nachfolgender Fügeprozesse Rücksicht nehmen. Eine zusätzliche Lochoperation ist i.d.R. notwendig. Ein Sonderverfahren wird in [34] vorgestellt (Abb. 3.121.). Hier werden bei der Doppelplatinen-Hydroumformung für jedes Blech variable Einzugsgeschwindigkeiten zugelassen. Damit ist eine maximale Formenvielfalt möglich. Vor dem Kalibrierschritt beim Hydro-Umformen wird beschnitten und die Einzelbleche werden verschweißt. Dadurch ist das Abdichten wesentlich einfacher möglich. Die Integration des kompletten Ablaufs in eine Anlage ist allerdings aufwändig. Außer bei dem genannten Sonderverfahren sind bei thermischen Verfahren die hohen Genauigkeiten der Hydro-Umformtechnologie nicht aufrecht zu erhalten. Die Lösung dieser Problematik liegt in der Anwendung kalter Fügetechnik. Das ist durch Verfahrensintegration mit nachfolgendem oder parallelem Fügen möglich.
3.5 Verfahrensadaption
135
Stützring Niederhalter Bleche Innengesenk Andocksystem Laser
Start Einlegen zweier Bleche - Verbindung mit dem Andocksystem
Vorformen Schließen der Presse - Wirkmedium wird unter hohem Druck zwischen die Bleche gepresst
Beschneiden Scherschneiden - Vorbereiten der Kanten für das Schweißen
Laser-Schweißen Stirnflachnaht mit Nd:Yag-Laser - Dichten - Fügen der Bauteilhälften
Ausformen Geringer Flanscheinzug - Ausformen der Ecken - Reduzierung des Schweißverzugs
Abb. 3.121. Integriertes Schweißen im Hydro-Umformprozess nach [34]
Verfahrensintegration Hydro-Umformung mit nachfolgendem Fügen Bei dieser Variante kann der Werkzeugzugang ein- oder beidseitig realisiert werden. Der notwendige Zugang zu beiden Seiten der Fügestelle setzt aber z.B. bei Rohrhalbzeugen im Fall der Unzugänglichkeit von den Stirnseiten eine Vorlochoperation gegenüber der Fügestelle voraus, um Fügeverfahren wie Punktschweißen, Clinchen oder Stanznieten anwenden zu können. Deshalb sind die nachfolgend aufgeführten Verfahren mit einseitigem Zugang wegen des geringeren Vorbearbeitungsaufwandes interessanter, wobei hier unterschieden werden muss, ob an der Fügestelle selbst mit oder ohne Vorloch zu arbeiten ist (s. Tabelle 3.10.): Tabelle 3.10. Verbindung Hydro-Umformung mit nachfolgendem Fügen (jeweils mit einseitigem Zugang) Verfahren mit Vorloch an der Fügestelle − Gewinde formende Schrauben (Durchzüge sind im HydroUmformprozess realisierbar) − Blindniete
Verfahren ohne Vorloch an der Fügestelle − Spezial-Blindniet (Abb. 3.122.) − Fließlochschrauben − Loch und Gewinde formende Schrauben (Abb. 3.123. und Abb. 3.124.)
136
3 Prozessgestaltung B
A
Wärmeeintrag durch Rotation und Faxial
Sollbruchstelle
Bauteil 1 Bauteil 2 Dornkopf
Faxial
Faxial
Rotation
Rotation
Blindniethülse C
D
Faxial durch Setzkopf Faxial
Faxial
Rotation
Faxial durch Setzkopf
E
Restnietdorn
Abb. 3.122. Konzept der Verfahrenskombination Fließlochformen / Blindnieten nach [16] Schritt 1 Ober- und Unterblech im IHU-Werkzeug Innendruck pi = 0 Schritt 2 Aufbau eines Innendrucks pi, Unterblech liegt an oberem Blech an
pi
Schritt 3 Innendruck pi wird reduziert, Einschrauben der Pentaflow-Schraube
Schritt 4 Dichtheitsprüfung mit unterschiedlich hohen Drücken
Abb. 3.123. Schritte einer Hydro-Fügeverbindung mit kalt formenden Schrauben nach [48]
3.5 Verfahrensadaption
137
Abb. 3.124. Querschnitt durch eine Hydro-Fügeverbindung (2 x 1,5 mm Aluminium) einer kalt formenden Schraube mit Dichtheit bis 300 bar
Die hier hauptsächlich infrage kommenden umformenden Verfahren haben gegenüber den Schweißverfahren den zusätzlichen Vorteil, dass Oberflächenschäden vermieden werden (bessere Dauer- und Korrosionsfestigkeit) und Mischverbindungen realisierbar sind. Verfahrensintegration Fügen parallel zur Hydro-Umformung Bei dieser Variante werden Prozessschritte eingespart. Die Fügeoperation wird ohne Verlängerung der Prozesszeit während des Kalibrierens durchgeführt, und neuartige Verbindungen werden in komplexen Baugruppen auch an unzugänglichen Stellen möglich. Dazu vier Beispiele: Beispiel 1: Gebaute Nockenwelle In der Vergangenheit war das Bauteildesign einer Nockenwelle durch die Verwendung einer massiven Welle gekennzeichnet, die entweder spanend oder mit Hilfe von Schmiede- bzw. Gießverfahren hergestellt wurde. Durch diese Bauteilauslegung war die Herstellung sehr werkstoff- und masseintensiv. Gebaute Nockenwellen, bei denen rohrförmige Halbzeuge zur Anwendung kommen (s.a. Abschn. 3.3.2.4), bieten ein erhebliches Einsparungspotenzial. Dabei wird eine Ausformung der Welle angestrebt, die den Einsatz gewichtsoptimierter Nocken ermöglicht. Das bedeutet, dass einerseits die Ausformung der Hohlwellenform und andererseits die kraft- und formschlüssige Verbindung der Nocken mit der ausgeformten Hohlwelle durch IHU-Technologie realisiert wird (Abb. 3.125.).
Hohlwelle
Nocken
Abb. 3.125. Gebaute Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformung
138
3 Prozessgestaltung
Beispiel 2: Flächige Verbindung Rohr-Scharnier Das zweite Beispiel zeigt das gleiche Prinzip: Aufweiten eines rohrförmigen Halbzeugs mit Anformen eines Aluminiumprofils an einen Stahlscharnierrahmen durch Innenhochdruck-Umformen (Abb. 3.126.). Profil
Verstärkung
IHU-Werkzeug
Profil
pi
Verstärkung
Abb. 3.126. Kraft- und formschlüssiges Fügen von Bauteilkomponenten
Beispiel 3: Flächige Verbindung Rohr-Rohr In Abb. 3.127. ist der prinzipielle Verfahrensablauf für eine Rohr-RohrVerbindung gezeigt.
Abb. 3.127. Prinzipieller Verfahrensablauf für eine Rohr-Rohr-Verbindung (links: Anfangszustand; rechts: Endzustand)
Beispiel 4: Punktförmige Verbindungen „Hydrostanznieten“ und „Hydroclinchen“ Das Nutzen des Druckmediums als aktive Komponente bildet die Grundlage für die Entwicklung punktförmiger Verbindungsverfahren. Beim Hydrostanznieten wird das für die Umformung eingesetzte Druckmedium als Matrizenersatz für das bekannte Fügeverfahren Stanznieten mit Halbhohlniet eingesetzt. Das mit hohem Druck beaufschlagte Medium wirkt der Einformung des Halbhohlstanznietes durch einen Fügestempel entgegen, wodurch ein Aufspreizen des Nietes realisiert wird (Abb. 3.128.). Um möglichst niedrige Innendrücke zu realisieren, kann zur Verringerung der erforderlichen Fügekraft dem axialen Stempelhub eine Taumelbewegung überlagert werden. Solche Verfahren benötigen zur Gesamtbeschreibung große experimentelle Aufwendungen (z.B. zur Nietentwicklung). Eine numerische Modellierung des Prozesses ist hervorragend geeignet, Zeit und Kosten zu sparen (Abb. 3.129.).
3.5 Verfahrensadaption
139
Abb. 3.128. Detail eines Schnittes durch eine Hydrostanznietverbindung – oben: Anbauteil; unten: Hydro-Umformteil; Mitte Stanzniet (links: Experiment; rechts: Rechnung)
Abb. 3.129. Axialspannungsverteilung bei abwälzender Stempelkinematik
Beim Hydroclinchen ist das Fluid ebenfalls aktiv an der Umformung im Bereich der Fügestelle beteiligt. Unter Wirkung des Hochdruckfluids wird Werkstoff aus dem Hydro-Umformteil durch ein im zu fügenden Anbauteil befindliches Loch zu einem Dom geformt. Ein Gegenstempel verhindert die freie Ausformung und wird definiert zurückgezogen. Anschließend wird der Dom vom Gegenstempel in Richtung des Hochdruckmediums zurückgeformt (Abb. 3.130.). Der Werkstoff bildet an der Lochkante des anzufügenden Bauteils eine Hinterschneidung als kraft- und formschlüssige Verbindung.
140
3 Prozessgestaltung
Abb. 3.130. Schnitt durch einen Hydroclinchpunkt mit aktiver Stempelbewegung (grau: Hydro-Umformteil aus Aluminium; dunkel: Anbauteil aus Stahl)
Unterstützt von der Lochanfasung des Anbauteils kann sich dieser Hinterschnitt auch ohne aktive Stempelbewegung herausbilden (Abb. 3.131.).
Abb. 3.131. Gegenüberstellung Experiment (links) und Rechnung (rechts) ohne aktive Stempelbewegung [70]
Eine große Einschränkung für die Anwendung des Hydroclinchens stellt die notwendige Kollisionsfreiheit dar. In Abb. 3.132. ist ein Beispiel für ein Anbauteil an einem Hydro-Umformbauteil gezeigt. Das sichere Positionieren der Teile im IHU-Werkzeug, das Werkzeugschließen und -öffnen und das Endformen verlangen bei Standard-Hydro-Umformwerkzeugen, die ohne aufwändige Schiebermechanismen gebaut sind, eine Eingrenzung der im Raum stehenden Funktionsfläche des Anbauteils auf die horizontale Trennebene und/oder die meist senkrecht dazu liegende vertikale Stößelbewegungsebene.
3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung
141
Abb. 3.132. Anwendungsbeispiel Anbauteil an einem Hydro-Umformbauteil; die Funktionsfläche des Anbauteils liegt in der vertikalen Stößelbewegungsebene [70]
3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung 3.6.1 Einsatzfelder und Systeme In den letzten Jahren wurden verschiedene Hydro-Umformverfahren zu effizienten Serientechnologien weiterentwickelt. Möglich wurde dies im Wesentlichen durch den erfolgreichen Einsatz der Prozesssimulation mit Hilfe der Finite-Element-Methode. Die auf der Finite-Element-Methode basierenden Simulationen ermöglichen sowohl Aussagen über den Umformprozess vor seiner realen Durchführung als auch ein deutlich verbessertes Verständnis der komplexen Prozesse und Zusammenhänge. Somit wird die Optimierung der Werkzeuggeometrien und Prozessparameter ermöglicht. Die Rahmenbedingungen industrieller Fertigungen verlangen in zunehmendem Maße eine schnelle und zuverlässige Entwicklung der Blechumformwerkzeuge bei gleichzeitiger Reduzierung der Zahl der Umformstufen. Die vermehrte Zahl neuer Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften, die zunehmende Komplexität der Blechformteile und die steigenden Anforderungen an deren Form- und Maßgenauigkeit infolge der automatisierten Fertigung und Montage verschärfen die Problematik. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Einsatz von Simulationen unverzichtbar. Der Einsatz dieser Techniken führt zur Vermeidung von Fehlern und Versagenserscheinungen sowie zur Optimierung der gesamten Fertigungsprozesskette. Nicht zuletzt wegen der großen Einsparpo-
142
3 Prozessgestaltung
tenziale bei der Auslegung und Erprobung von Blechumformprozessen entstand eine Vielzahl kommerzieller Finite Element Programme, die sich zu leistungsfähigen Programmsystemen entwickelt haben. Tabelle 3.11. enthält einen Auszug aus dem Spektrum kommerziell verfügbarer FiniteElement-Programme zur Blechumformsimulation und deren Anwendungsgebiete. Tabelle 3.11. Auszug aus dem Spektrum kommerziell verfügbarer FiniteElement-Programme zur Blechumformsimulation FEMProgramm ABAQUS standard ABAQUS explizit AutoForm implizit AutoForm one-step FastForm ICEM-STAMP INDEED ISO-PUNCH ITAS3D
Entwickler
Typ
Anwendung
HKS (USA)
implizit
Allgemein, nichtlinear
HKS (USA)
explizit
AutoForm (CH)
implizit
Crash-, Massiv-, Blechumformung Blechumformung
AutoForm (CH)
Einschrittverfahren
Blechumformung
Einschrittverfahren Einschrittverfahren implizit Einschrittverfahren Statisch explizit
Blechumformung Blechumformung Blechumformung Blechumformung Blechumformung
LS-DYNA
FTI (CAN) Control Data (D) Inpro (D) SOLLAC (F) Prof. Nakamachi (J) LSTC (USA)
Dynamisch explizit
MARC OPTRIS PAM-STAMP SIMEX2
MARC (USA) ESI (F) ESI (F) SimTech (F)
implizit Dynamisch explizit Dynamisch explizit Einschrittverfahren
Crash-, Massiv-, Blechumformung Allgemein, nichtlinear Blechumformung Blechumformung Blechumformung
Eine Spezifik der Blechumformsimulation ist das prinzipiell auftretende elastisch-plastische Materialverhalten. Hierdurch wird die Möglichkeit insbesondere rechenzeiteinsparender, vereinfachender Annahmen deutlich eingeschränkt. Zusätzlich besitzen die Halbzeuge (Bleche, Rohre, Profile) herstellungsbedingt i.d.R. eine merkliche plastische Anfangsanisotropie, die in der Prozessauslegung nicht vernachlässigt werden darf. Dies und das breite Spektrum der auftretenden Verfestigungsmechanismen kann mit den in der Umformtechnik gern verwendeten klassischen Lösungsverfahren der Plastomechanik nicht mit hinreichender Genauigkeit berücksichtigt werden, so dass diese auf anderen Gebieten immer noch erfolgreichen klassischen Methoden bei der Auslegung von Blechumformprozessen kaum mehr eine Rolle spielen. Die Theorie der Plastizität bei großen Deforma-
3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung
143
tionen und die modernen Verfahren der numerischen Analysis und numerischen Algebra, wie sie bei der erfolgreichen numerischen Behandlung der komplexen Prozesse bei der Blechumformung zum Einsatz kommen, würden selbst in einer andeutungsweisen Darstellung den Rahmen dieses Buches sprengen, so dass diesbezüglich auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird [14, 165, 186, 188, 189]. 3.6.2 Derzeitiger Stand und erreichte Ergebnisse Nichtlineare Finite-Element-Methoden haben eine Reihe verschiedener Wurzeln. Kurz nachdem die FEM durch eine Arbeit von Turner, Clough, Martin und Topp (1956) [178] bekannt wurde, begannen an verschiedenen Einrichtungen Untersuchungen zur Erweiterung dieser Methode auf physikalisch nichtlineare Aufgabenstellungen. Als Persönlichkeiten auf dem Gebiet der frühen kommerziellen FEM-Programme sind neben Argyris, Marcal und Swanson insbesondere David Hibbitt und Klaus-Jürgen Bathe zu nennen. Hibbitt arbeitete bis 1972 mit Pedro Marcal zusammen und gründete dann die Firma HKS, die ABAQUS auf den Markt brachte. ABAQUS war das erste Programm, das die Möglichkeit der Einbindung vom Anwender entwickelter Element- und Materialroutinen anbot. Bis ungefähr 1990 lag der Schwerpunkt der kommerziellen FEMProgramme auf der Lösung statischer und dynamischer Probleme mit impliziten Methoden. Ein anderer Zweig moderner nichtlinearer Software sind die expliziten FEM-Programme. Diese Arbeiten wurden stark von den von Wilkins (1964) [185] entwickelten „Hydro-Codes“ beeinflusst. 1964 wurde von Costantino [25] das vermutlich erste explizite FEM-Programm entwickelt. Dieses Programm beschränkte sich noch auf lineares Materialverhalten und kleine Deformationen. Parallel zu den Weiterentwicklungen dieser Codes stellte Sam Key [56] 1975 HONDO fertig. Dieses Programm berücksichtigte sowohl stoffliche als auch geometrische Nichtlinearitäten. Frei verfügbar war allerdings erst die von Dennis Flanaghan unter dem Namen PRONTO entwickelte Version. Einen Meilenstein auf dem Gebiet der expliziten FEM-Programme stellen die von John Hallquist 1976 fertiggestellten DYNA-Codes dar. Der Schlüssel für den Erfolg dieser Programme liegt in einem hohen Maße in den implementierten Kontaktalgorithmen. Die erste kommerzielle Version wurde in den 80er Jahren von der französischen Firma ESI unter dem Namen PAM-CRASH angeboten. Seit 1989 bietet John Hallquist mit LS-DYNA eine eigene kommerzielle Version der DYNA-Codes an. Der drastische Preisverfall der Hardware und die Robustheit der expliziten Programme haben in den letzten Jahrzehnten die Tätigkeit des Kon-
144
3 Prozessgestaltung
strukteurs dramatisch revolutioniert. Erste industrielle Anwendungen gab es in der Crash-Simulation in der Automobilindustrie. Heute sind FEMProgramme in allen Produktionszweigen im Einsatz. Die Simulation des gesamten Spektrums der Umformprozesse einschließlich des Innenhochdruck-Umformprozesses kann inzwischen standardisiert eingesetzt werden, um bereits während der Werkzeugkonstruktion die versagensfreie Herstellbarkeit der Formteile zu gewährleisten. Derzeit gibt es wieder intensivere Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der impliziten Programme, die trotz ihrer potentiell höheren Genauigkeit bezüglich der numerischen Stabilität, insbesondere der Kontaktalgorithmen, nicht durchgängig mit den expliziten FEM-Programmen konkurrieren können. 3.6.3 Handlungsbedarf und Entwicklungspotenzial Die numerischen Simulationstechniken stehen vor den sich nahezu ausschließenden Forderungen nach Erhöhung der Genauigkeit der Ergebnisse und drastischer Reduktion der Rechenzeit. Kürzere Rechenzeiten werden allerdings oft durch Ansatz von deutlich vereinfachenden Annahmen (z.B. Einsatz von speziellen Membran-Elementen in AutoForm) erreicht, womit die Erwartungen an die Genauigkeit der Ergebnisse erheblich reduziert werden müssen. Eine noch drastischere Einschränkung stellen die Einschrittverfahren (z.B. AutoForm one-step, FastForm, ICEM-STAMP, ISOPUNCH, SIMEX2) dar. Hier wird auch auf die Befriedigung des Kräftegleichgewichts verzichtet und ausschließlich die Kenntnis von Ausgangsund Endgeometrie zur näherungsweisen Bestimmung von Deformationen, Spannungen und internen Parametern herangezogen. Dennoch werden diese Systeme heute häufig für eine erste Abschätzung der Umformbarkeit, zur Bestimmung des Zuschnitts oder zur Abschätzung der Kräftebilanz erfolgreich angewendet. Für die exaktere Ermittlung der finalen Ziehanlage und der Prozessparameter sowie des Rückfederungsverhaltens kommen jedoch meist zusätzlich die Systeme PAM-STAMP oder LS-DYNA zum Einsatz. In einigen Unternehmen hat auch das von einem Firmenkonsortium entwickelte System INDEED einen begrenzten Anwendungsbereich erhalten. Bezüglich der verfügbaren Werkstoffmodelle und der Möglichkeit, über USER-Schnittstellen zusätzliche Materialeigenschaften zu implementieren, ist ein Stand erreicht, der den hohen Genauigkeitsanforderungen durchaus entgegenkommt. Hier liegt der Handlungsbedarf derzeit eher bei den Prüflabors, denn eine Identifikation von Werkstoffmodell und dazugehörigen Parametern ist z.B. für komplexeres Verfestigungsverhalten bisher noch nicht befriedigend gelöst.
3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung
145
Großes Potenzial liegt im Einsatz moderner Entwicklungen auf dem Gebiet der numerischen Mathematik in den FEM-Programmen. Insbesondere bei den impliziten Codes besteht im Vergleich zu den expliziten Programmen noch ein Defizit bezüglich der Unempfindlichkeit gegenüber numerischen Instabilitäten insbesondere im Kontaktalgorithmus sowie der Rechenzeit. Trotz der höheren erreichbaren Genauigkeit der Lösung und der besseren theoretischen Durchdringung, insbesondere der Problematik nichtlinearen Materialverhaltens bei großen Deformationen, dominiert in der industriellen Praxis nicht der Zugang über implizite Programme. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der iterativen Lösung linearer Gleichungssysteme und der adaptiven FEM in Verbindung mit moderneren Kontaktalgorithmen geben Grund zur Hoffnung, dass sich ein Trend zur paritätischen Koexistenz beider Zugänge einstellen wird. Ein deutlicher Handlungsbedarf wird von vielen Seiten auch auf dem Gebiet der Rückfederung gesehen. Insbesondere Vorformoperationen wie z.B. das Biegen von Rohren und Profilen für das InnenhochdruckUmformen werden davon tangiert. Hier liegt das Problem allerdings nicht unmittelbar bei den zum Einsatz gebrachten numerischen Methoden, sondern primär bei den zur Modellierung genutzten Materialmodellen und auch in der Qualität der Abbildung des realen Prozesses. Im Gegensatz zum reinen Innenhochdruck-Umformen oder Tiefziehen wird die Endgeometrie auch nicht nahezu ausschließlich durch die Geometrie der Werkzeuge bestimmt. Beim freien Umformen kommt die gesamte Komplexität der Wechselwirkung von Prozess und Werkstoff zum Tragen, so dass hier die Genauigkeit das primäre Kriterium sein sollte. Dies steht allerdings auf Grund der deutlich höheren Rechenzeiten und auch des extremen Aufwandes bei der Klärung des Materialverhaltens im diametralen Gegensatz zu den Anforderungen aus der industriellen Praxis. Die Simulation der Rückfederung sowie deren rechnergestützte Kompensation befindet sich daher erst im Aufbau. Die Ergebnisse sind jedoch zumindest als Ausgangsdaten für eine rechnergestützte Modifikation der Werkzeugwirkflächen hilfreich. Ein Ausweg kann vermutlich nur im Einsatz deutlich schnellerer Rechentechnik (z.B. Workstation-Cluster) und moderner numerischer Algorithmen liegen, die allerdings bisher nur wenig Eingang in kommerzielle FEM-Programme gefunden haben. Einen wichtigen Beitrag zur Visualisierung von Berechnungsergebnissen in der Praxis des Umformprozesses zu leisten, ist eine zukünftige Aufgabe der Virtuellen Realität (VR). Die Virtuelle Realität bietet vor allem für die Nachbearbeitung von Simulationsdaten eine Form der Visualisierung, wie man sie vom herkömmlichen Postprocessing nicht kennt. Es sind zwei unterschiedliche Anwendungsfälle denkbar. Zum einen ist es möglich, den Optimierungsprozess für den FEM-Fachmann durch Fehlerver-
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3 Prozessgestaltung
meidung zu beschleunigen, zum anderen ist die Präsentation von Varianten und der endgültigen Version vor einem Nichtfachpublikum in effizienter Weise möglich. Es können unterschiedliche Visualisierungseinrichtungen eingesetzt werden, die sich in Anschaffungskosten, Bedienungsaufwand, Platzbedarf und Immersionsgrad4 unterscheiden. Bei Größenordnungen bis zu etwa 1 m Kantenlänge der zu visualisierenden Modelle sind bereits kleinräumige, einfach zu bedienende Anlagen wie zum Beispiel eine Workbench (Abb. 3.133.) oder Powerwall hervorragend geeignet. Sie ermöglichen mehreren Bearbeitern, am Visualisierungsprozess teilzunehmen. Dafür ist es erforderlich, die Simulationsergebnisse mit einer speziellen Software vorzubereiten, um die oft sehr komplexen Ergebnisse in der gewünschten Weise darzustellen. Je nach verwendeter FEM-Software können die Ergebnisse zeitgleich oder auch nacheinander durch Einfärbung der finiten Elemente gezeigt werden.
Abb. 3.133. Visualisierung der Umformung eines Querträgers an einer 2-SeitenProjektion (L-Bench)
Ergänzend gibt es durch die Software Möglichkeiten, mit den Modellen zu interagieren. So lassen sich Schnittebenen durch das Modell legen, zeitabhängige Prozesse können in ihrem Ablauf gezeigt und Geometrien der 4
Der Immersionsgrad (einheitenlos) beschreibt das Gefühl des Betrachters, wie gut er sich in die virtuelle Welt einbezogen fühlt.
3.7 Qualitätssicherung
147
übrigen Konstruktionsdetails ergänzt werden. Weiterhin können die aus dem klassischen Postprocessing bekannten Isoflächen (Farbdarstellungen), Vektorfelder und Tracer-Darstellungen (z.B. Fluidströmungen) benutzt werden. In der Auswertung werden sowohl manuell strukturierte als auch automatisch generierte FE-Netze unterstützt. Eine dem Konstruieren sehr entgegenkommende Arbeitsweise ist der Vorteil der räumlichen Darstellung der Modelle im Maßstab 1:1. Da das Postprocessing der Daten nun in den dreidimensionalen Raum verlegt wird, sind „Problemzonen“ komplizierter Details kein Hindernis mehr. Die Virtuelle Realität bietet auch eine neue Qualität des weltweit kooperierenden Arbeitens, dem Computer Supported Cooperative Work, kurz CSCW. Somit schrumpfen Entfernungen zwischen Entwicklern und Anwendern auf ein Minimum. Vorteilhaft ist auch, dass durch CSCW von deutlich mehr Beteiligten eine Beurteilung der Ergebnisse erfolgen kann – eine gewisse Netzdichte an VR-Einrichtungen vorausgesetzt. Derzeitige Hindernisse für die industrielle Nutzung der VR sind die Softwareschnittstellen sowie die fehlende Möglichkeit der Einflussnahme auf Randbedingungen und Prozessparameter zur Laufzeit der Visualisierung. Eine Zeiteinsparung im Simulationsprozess sollte das Ziel der Anwendung der VR sein. Für die Realisierung und Parallelisierung der Berechnungen ist aber noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten. Häufig stehen dem Wunsch der dreidimensionalen, interaktiven Visualisierung finanzielle Hindernisse entgegen. Hier wird sich in der Zukunft jedoch viel ändern, da von einer weiteren Reduzierung der Hardwarekosten auszugehen ist. Aber auch die Software ist ein Kostenfaktor, der zusammen mit der Wartung der Anlage in die Wirtschaftlichkeitsberechnung eingeht. Daher wird die Entscheidung zu Gunsten des Einsatzes der VR nur fallen, wenn das Kosten/Nutzen-Verhältnis den Bedingungen des industriellen Einsatzes genügt. Softwarehersteller sind aufgerufen, modulare, kundenspezifische Software zu entwickeln, die den Kunden ein noch effektiveres Arbeiten ermöglichen, besonders im Zusammenhang mit Virtueller Realität.
3.7 Qualitätssicherung 3.7.1 Erreichbare Genauigkeiten Zur Bewertung der Genauigkeit ist stets der gesamte Fertigungsprozess zu betrachten. Die Hydro-Umformung spielt zwar eine wichtige Rolle, aber sie kann nicht losgelöst vom Gesamtprozess betrachtet werden. Vor und nach dem eigentlichen Innenhochdruck-Umformprozess sind Fertigungs-
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3 Prozessgestaltung
operationen erforderlich, um das Endprodukt herzustellen. So werden beispielsweise Biegeoperationen vor der Innenhochdruck-Umformung durchgeführt. Diese wirken sich auf die Werkstoffeigenschaften aus (Kaltverfestigung) und haben damit Einfluss auf das im Hauptumformprozess zur Verfügung stehende Restformänderungsvermögen. Weiterhin ist auch die Maßhaltigkeit dieser vorgelagerten Arbeitsschritte für die spätere Genauigkeit des Fertigteils von Bedeutung. Bezüglich der Maßabweichungen zur Bewertung der Qualität muss das Bauteil hinsichtlich seiner Übereinstimmung mit der Maßvorgabe, also der Konstruktionszeichnung (Abformgenauigkeit) und der erreichbaren Toleranzen (Reproduzierbarkeit), betrachtet werden. Hierbei wird zwischen Querschnitts- und Formliniengenauigkeit unterschieden. Abhängig vom konkreten Einsatzfall des Bauteils ist eines dieser Kriterien oder es sind beide von funktioneller Bedeutung. Werden zusätzliche Umformschritte durchgeführt (z.B. Einbringen von Lochungen), sind diese Geometrien u.U. ebenfalls zu kontrollieren. Aufgrund dieser Komplexität sind allgemeingültige Angaben über erreichbare Genauigkeiten bei IHU-Teilen nur schwer möglich. Die Fertigteilgenauigkeit im eigentlichen IHU-Prozess wird durch eine Reihe von Einflussgrößen bestimmt [66, 168]: − − − − −
Güte des IHU-Werkzeugs Genauigkeit der Umformmaschine Werkstoff und Abmessungen (Toleranzen) des Halbzeugs Komplexität der Geometrie des Fertigteils Parameter des IHU-Prozesses
Die Haupteinflüsse werden kurz erläutert: Die Güte des Werkzeugs ist eine entscheidende Voraussetzung für die Fertigung qualitätsgerechter Endprodukte. Dabei kommt der Maßhaltigkeit und der genauen Positionierung der Formeinsätze eine entscheidende Bedeutung zu. Des Weiteren ist eine ausreichende Werkzeugsteifigkeit eine unabdingbare Eigenschaft, um die Auffederung der Werkzeugelemente trotz hoher Innendrücke möglichst gering zu halten. Die Werkzeuggrundkörper sollten deshalb entsprechend großzügig dimensioniert werden. Zu schwach ausgelegte Werkzeuge führen durch ihr elastisches Verhalten unter den eingesetzten hohen Kalibrierdrücken zu einer Verschlechterung der Maßhaltigkeit des Bauteils und verursachen die bei IHU-Bauteilen unerwünschte Gratbildung [39]. Im Extremfall ist auch Werkzeugbruch möglich. Die Zuhaltevorrichtung der Umformmaschine hat einen qualitätsbestimmenden Einfluss auf das Fertigteil. Wegen des Auftretens großer Bau-
3.7 Qualitätssicherung
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teilinnendrücke sind nur solche hydraulische Pressen für die Innenhochdruck-Umformung geeignet, die große Steifigkeiten aufweisen. Besonders während der Kalibrierphase treten große Drücke auf, die zu starken Biegebelastungen von Tisch und Stößel führen. Kommt es hierbei zu einer Durchbiegung, sind Formabweichungen der Bauteile zu erwarten. Für die Genauigkeit des Fertigteils sind die Maßhaltigkeit des Halbzeugs oder der Vorform und die mechanischen Kennwerte des Werkstoffs von Bedeutung. Besonderen Einfluss haben dabei Maßtoleranzen des Halbzeugs, z.B. große Wanddickentoleranzen. Bereits die in den Halbzeugspezifikationen [102, Teil 2 und 3] zugelassenen Toleranzen können im IHU-Prozess u.U. zu Qualitätsschwankungen führen. Bei Rohren kann der Bereich der Schweißnaht sehr kritisch sein. Die Kompliziertheit der Fertigteilgeometrie hat ebenfalls Auswirkungen auf die erreichbaren Genauigkeiten. Dabei haben vorgelagerte Prozesse eine große Bedeutung. Durch vorherige Umformprozesse werden Form, Wanddickenverteilung und Formänderungsverteilung der Halbzeuge beeinflusst. Treten hierbei Inhomogenitäten auf, kann sich dies negativ auf den IHU-Prozess auswirken. Die Wahl geeigneter Verfahrensparameter ist ebenfalls Voraussetzung für die Herstellung maßhaltiger IHU-Teile. Die Steuerung der Prozessparameter (z.B. Wirkmedien-Innendruck pi und Axialstempelweg saxial) ist so auszulegen, dass eine möglichst homogene Formänderungsverteilung erzielt wird. Aus dem Arbeitsdiagramm der Innenhochdruck-Umformung (s. Abb. 3.54, Abschn. 3.3.2.3) ist der optimale Arbeitsbereich zu ersehen (Prozessfenster). Außerhalb dieses Bereiches ist mit größeren Maßabweichungen bzw. mit Versagensfällen zu rechnen. Wird durch die Prozessführung in allen Bereichen des Werkstücks eine ausreichende Plastifizierung erreicht, tritt bei Stahlwerkstoffen eine deutliche Reduzierung, oftmals sogar eine Eliminierung der Rückfederung auf, die wiederum zur Verbesserung der Maßhaltigkeit beiträgt [39]. Im Vergleich zu konventionellen Blechumformverfahren können mit der wirkmedienbasierten Umformtechnik eine bessere Form- und Maßhaltigkeit sowie eine höhere Bauteilsteifigkeit erzielt werden [49, 75]. Dies resultiert daraus, dass zumindest in der ersten Prozessphase – der freien Aufweitphase, in der das Werkstück weitgehend ohne Werkzeugkontakt umgeformt wird, – ein gleichmäßiger Umformprozess abläuft, der auch zu einer gleichmäßigeren Formänderungsverteilung im Bauteil führt. Bei korrekter Prozessführung sind Maßgenauigkeiten der Außenkontur für werkzeuggebundene Maße im Bereich IT 12 bis IT 14, in Sonderfällen IT 10 möglich. Die Teilinnenkontur ist kaum exakt vorherbestimmbar und nur begrenzt zu beeinflussen [66].
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3 Prozessgestaltung
Die Rauheit der Oberflächen von Fertigteilen wird durch die Rauheit der Halbzeuge und die Oberflächenstruktur der Werkzeugaktivteile bestimmt. Durch den IHU-Prozess ist eine Zunahme der Rauheit zu verzeichnen. Dies tritt besonders an Teilen mit freier Aufweitphase während des Umformens auf [58]. 3.7.2 Mess- und Prüftechnik Zur Fertigung qualitätsgerechter IHU-Bauteile ist während jeder Prozessstufe eine Vielzahl von Eigenschaften am Bauteil zu überprüfen. Dies bedeutet, dass Messungen nicht nur am Fertigteil, sondern auch am Ausgangsmaterial (Halbzeug) und nach Prozesszwischenstufen notwendig sind. Die Güte der Werkzeuge ist eine entscheidende Voraussetzung für die Herstellung fehlerfreier Endprodukte. Vor dem Produktionsstart ist nachzuweisen, dass die Werkzeuge geeignet sind, die geforderten Qualitätsmerkmale der Fertigteile zu garantieren. Die Werkzeugfertigung ist daher mit geeigneter Mess- und Prüftechnik zu überwachen. Diese Problematik soll hier nicht betrachtet werden. Spezielle Messsensorik, die zur Prozessüberwachung dient, wird im Hauptabschn. 3.7.4 vorgestellt. Die entscheidende Voraussetzung für die Herstellung qualitätsgerechter Fertigteile sind Halbzeuge mit Werkstoffeigenschaften, die den Anforderungen der Hydro-Umformung genügen. Vom Anwender werden spezielle Kombinationen aus Festigkeit und guter Umformbarkeit gefordert. Neben diesen reinen Materialeigenschaften sind Eigenschaften wie Wanddicke, prozesssicher verschweißte Rohre, einwandfreie Oberflächengüte ohne Riefen und Kratzer sowie exakte Länge gemäß Vorgabe und Toleranz besonders wichtig. Zur Bewertung von Rohren, die als Halbzeuge für die IHU verwendet werden, stehen zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren zur Verfügung. Derzeit werden zur Prüfung meist klassische Prüfverfahren eingesetzt. Diese Verfahren sind standardisiert und relativ schnell und einfach durchführbar. Sie haben aber nur eine begrenzte Aussagekraft, um das Umformverhalten von Rohren zu beschreiben. Um exaktere Kennwerte zur Beschreibung des Umformverhaltens von Rohren zu ermitteln, wurden spezielle Verfahren entwickelt. Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte am ebenen Blech ist der einachsige Zugversuch [96]. Die Prüfung erfolgt auf Zug-Druck-Prüfmaschinen, bei denen die Kraftmessung mittels Kraftmessdose und die Längenmessung mittels Extensometer erfolgt. Diese Methode liefert jedoch nicht in jedem Fall ausreichende Informationen, da sie
3.7 Qualitätssicherung
151
weder die Geometrie der Halbzeuge noch ihr umformspezifisches Herstellungsverfahren sowie die beim IHU auftretenden typischen Spannungszustände berücksichtigt. Aus diesem Grund werden die Zugproben zur Verbesserung der Aussagekraft aus dem Rohr heraus getrennt. Für eine richtungsabhängige Kennwertermittlung sind die Proben parallel oder quer zur Rohrlängsachse zu entnehmen. Die Prüfung erfolgt analog dem einachsigen Zugversuch. Um die Güte der Schweißnaht zu überprüfen, ist es möglich, Zugproben mit Schweißnaht zu testen. Dabei kann die Schweißnaht in der Probe längs, quer oder schräg zur Zugrichtung verlaufen. Auch diese Vorgehensweise hat eingeschränkte Aussagekraft, da bei der Probenherstellung z.B. durch Rückbiegung der Rohrkrümmung eine Beeinflussung der Materialeigenschaften erfolgt. Mit diesem Verfahren können die folgenden Kennwerte ermittelt werden: Streckgrenze Re, Zugfestigkeit Rm, Gleichmaßdehnung Agl, Bruchdehnung A80, Anisotropiewert r, Verfestigungsexponent n sowie Fließkurve und E-Modul. Zur Bestimmung des Härteverlaufs in Umfangs- und Längsrichtung des Rohres und der daraus abgeleiteten Festigkeitsverteilungen sind Härtemessungen nach dem Brinell- [90] und dem Vickers-Verfahren [91] geeignet. Solche Messungen sind sowohl an Ausgangs- als auch an Fertigteilen üblich. Bei diesen Eindringverfahren wird eine gehärtete Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel (Brinell-Verfahren) bzw. ein pyramidenförmiger Diamant (Vickers-Verfahren) mit einer definierten Kraft in die Probe eingedrückt. Aus dem Durchmesser bzw. der Diagonalen des Härteeindrucks – gemessen z.B. mit einem Messokular – lässt sich die Härte bestimmen. Daraus sind qualitative Aussagen zu den mechanischen Werkstoffkennwerten ableitbar. Weitere standardisierte Verfahren für eine Halbzeugprüfung sind der Aufweitversuch [98], der Ringaufdornversuch [99], der Ringzugversuch [100] und der Ringfaltversuch [97]. Beim Aufweitversuch erfolgt ein Aufweiten des Rohrendes oder einer Probe mit einem konischen Dorn. Beim Ringaufdornversuch werden vom Rohr abgeschnittene Ringe mit einem konischen Dorn bis zum Bruch oder einem festgelegten Wert aufgeweitet. Diese beiden Prüfungen dienen zur Ermittlung der Aufweitfähigkeit, zur Erkennung von Fehlern an der Oberfläche und im Querschnitt von Rohren sowie zur Bestimmung der Umformbarkeit. Beim Ringzugversuch wird ein vom Rohr abgeschnittener Ring solange verformt, bis der Bruch eintritt. Diese Prüfmethode und der Ringfaltversuch (Ovalisieren des Rohres) eignen sich ebenfalls zur Fehlererkennung an der Oberfläche und im Querschnitt sowie zur Bestimmung des Umformvermögens. Zur Verbesserung der Beurteilung von Rohren für die IHU wurde ein verfahrensspezifischer Berstversuch entwickelt [23]. Die Rohrprobe wird dabei beidseitig eingespannt und durch den Aufbau eines Innendrucks bis
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3 Prozessgestaltung
zum Bersten beansprucht. Während der Versuchsdurchführung werden Innendruck und Rohraufweitung gemessen. Mit dieser Methode ist die maximal erreichbare Umfangsdehnung der Rohre ermittelbar. Neben den genannten zerstörenden Verfahren sind auch zerstörungsfreie Prüfverfahren im Einsatz. Hierbei werden Methoden genutzt, die berührungslos mit Wirbelstrom [187] bzw. Ultraschall [101] arbeiten. Die Wirbelstromprüfung zeichnet sich dabei durch eine hohe Prüfsicherheit und durch hohe Prüfgeschwindigkeit aus. Mit diesen Verfahren sind Oberflächenfehler wie Riefen und Kratzer, Porenfehler, Anhäufung von Seigerungen, Schweißnahtfehler und schlechte Schabung detektierbar [130]. Zur Messung der Wanddicke sowohl beim Ausgangsteil als auch beim Fertigteil sind diese Verfahren ebenfalls geeignet. Für eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle der Schweißnaht und der Oberfläche werden auch optische Überwachungsmethoden, die z.B. auf Basis von Lichtschnittverfahren oder der Bildauswertung arbeiten, eingesetzt. Die Qualitätsbewertung der IHU-Fertigteile erfolgt mit prinzipiell gleicher Mess- und Prüftechnik wie bei Umformteilen, die mit konventioneller Umformtechnologie hergestellt wurden. Die Vielzahl der Qualitätsmerkmale eines Fertigteils lässt sich umfassend durch die Messgrößen Dehnung, 3D-Oberflächenform und 3D-Koordinaten von Oberflächenpunkten beschreiben. Mit diesen Messgrößen ist eine Bewertung des Endprodukts sowie von Zwischenstufen möglich. Zur Ermittlung der während des IHU-Prozesses aufgetretenen Dehnung ist das Halbzeug entsprechend vorzubereiten. Es werden kreisförmige oder quadratische Raster als Markierungen auf der Oberfläche aufgebracht. Aus der Verzerrung der geometrischen Figuren sind Rückschlüsse auf den Dehnungszustand möglich [37]. Dieses prinzipielle Vorgehen wird seit vielen Jahren angewendet. Die Auswertemethoden haben sich aber grundlegend gewandelt. Wurde in der Vergangenheit durch manuelles Ausmessen die Verzerrung der Markierungen ermittelt, so stehen heute moderne optische Systeme zur Verfügung, mit denen eine schnelle Auswertung auch größerer Bereiche möglich ist. Ein dafür geeignetes Messverfahren ist die Nahbereichs-Photogrammetrie [136]. Im Prozess erfolgt die Kontrolle der Bauteile hinsichtlich des Versagensfalls (z.B. auf Risse oder Falten) und der Abweichungen von der geforderten Oberflächenform z. Z. hauptsächlich über eine visuelle Bewertung durch das Bedienpersonal. Mit Prozessmonitoring-Systemen (vgl. hierzu Hauptabschn. 3.7.4) sind beim IHU Versagensfälle, z.B. Risse, bereits an Hand des Verlaufs der Prozessparameter erkennbar. Für die automatisierte Bewertung der Topographie werden seit Jahren umfangreiche Untersuchungen zur Entwicklung optischer Verfahren und Systeme durchgeführt. Es existieren Lösungen, die die Beurteilung der ge-
3.7 Qualitätssicherung
153
forderten Genauigkeiten erlauben. Die rauhen Umgebungsbedingungen im Presswerk stellen jedoch hohe Anforderungen an die Robustheit und Zuverlässigkeit der Messsysteme, die für eine Integration in den Prozessablauf unabdingbar sind. Ein gutes Potenzial hierfür bilden Systeme, die auf Basis des strukturierten Lichtansatzes arbeiten. Flächenhaft wird auf das zu vermessende Bauteil ein Streifenmuster aus hellen und dunklen Streifen projiziert. Aus einer anderen Betrachtungsrichtung als der des Projektors ist eine Verzerrung der Streifen, die von der Oberflächenform herrührt, erkennbar. Diese Szene wird mit einer Kamera aufgenommen. Ein Auswertealgorithmus berechnet daraus die quantitative Oberflächenkontur [47]. Diese optischen Systeme werden ständig weiterentwickelt und stellen auch für die Qualitätsbewertung in der IHU-Technik eine Alternative dar. Die 3D-Maßkontrolle erfolgt mit berührenden und berührungslos arbeitenden Messverfahren. In der Entwicklungsphase werden die umgeformten Teile mit einer hohen Messpunktdichte überprüft. Dazu werden vorrangig tastende Messmaschinen eingesetzt. In der Fertigungslinie erfolgt dann nicht mehr diese umfassende Maßkontrolle. Es werden ausgewählte, funktionsbestimmende Merkmale wie z.B. Biegeradien, Durchmesser und Abstände von Lochungen sowie die Maßhaltigkeit von Nebenformelementen überprüft. Dazu stehen optische Messsysteme auf Basis der Lasertechnik zur Verfügung. Die Oberfläche wird dabei punktweise oder linienförmig abgetastet. Abhängig vom Produktionsablauf (hohe Stückzahlen gleicher Fertigteile oder häufiger Bauteilwechsel) können stationäre oder flexible Anordnungen eingesetzt werden. Stationäre Systeme arbeiten mit einer Vielzahl von Sensoren, die rings um das zu prüfende Teil angeordnet sind. Die flexible Variante nutzt wenige Sensoren, die durch geeignetes Handling, z.B. Industrieroboter, nacheinander an die Messpositionen gefahren werden [115]. 3.7.3 Schadens- und Fehleranalyse Um Ausschussteile beim IHU / IHB nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es notwendig, die Fertigteile genauestens zu untersuchen, die Ursachen auftretender Fehler festzustellen und Maßnahmen zu ihrer Verhütung zu treffen. Für eine umfassende Schadens- und Fehleranalyse existieren geeignete Werkzeuge in der Qualitätssicherung. Eine häufig eingesetzte Methode des Qualitätsmanagements (QM) ist die FMEA (FehlermöglichkeitenEinflussanalyse, engl. Failure Modes & Effects Analysis). Sie ist in einigen Industriezweigen, darunter auch in der Automobilindustrie, ein unverzichtbarer Bestandteil des QM. Diese Präventiv-Methode basiert darauf, dass im Vorfeld untersucht wird, welche Fehler auftreten können, welche
154
3 Prozessgestaltung
Auswirkungen diese Fehler haben und wie diese Fehler verhindert werden können. Der Einsatz der Analyse erfolgt aber auch bei bereits bekannten Versagensfällen [73]. Bei einer speziellen Art der FMEA, der SystemFMEA, wird der Zusammenhang von Produkt und Prozess betrachtet. Neben anderen Fehlerursachen werden speziell mit der „System-FMEAProzess“ Fehler des Produkts, die als Folge von Fehlern im Herstellungsprozess auftreten, detailliert untersucht [160]. In den Tabellen 3.12. und 3.13. sind die häufigsten Fehler, ihre Entstehungsursachen und mögliche Fehlerverhütungsmaßnahmen beim IHU/IHB aufgeführt (vgl. dazu Kap. 2.4). Diese Zusammenstellung gibt einen Überblick über ausgewählte Versagensfälle und geeignete Gegenmaßnahmen bzw. Vorkehrungen, um den jeweiligen Fehler zu vermeiden. Tabelle 3.12. Wesentliche Fehler beim IHU Fehler Einschnürungen
mögliche Fehlerursache Gleichmaßdehnung beim Aufweiten überschritten
Bersten
Überschreitung der Bruchdehnung
Faltenbildung
zu hohe Axialkraft bei zu geringem Innendruck
Knicken
zu große Axialkraft bezogen auf die freie Aufweitlänge
Fehlerverhütung − Überlagerung von Druckspannungen (axiales Nachschieben) − Verwendung eines Gegenstempels im Ausformbereich − Verbesserung des Werkstoffflusses durch Werkzeugoptimierung (z.B. durch Vergrößerung der Radien) − Ausgangshalbzeug mit besserem Umformvermögen einsetzen − Verhältnis zwischen Axialkraft und Innendruck dem konkreten Teil anpassen − Verhältnis der Ausgangswanddicke zum Ausgangsdurchmesser optimieren − halbzeugangepasste Verfahrensparameter einstellen (besonders wichtig ist hierbei die Axialkraft)
3.7 Qualitätssicherung
155
Tabelle 3.13. Wesentliche Fehler beim IHB Fehler Einschürung / Bersten
Falten
mögliche Fehlerursache − Ziehverhältnis zu groß − Behinderung des Werkstoffflusses − ungeeignete Vorformgebung − tangentiale Druck- oder Zugspannungen bei der Realisierung von Formelementen (ungünstige geometrische Verhältnisse, vergleichbar mit Tiefziehen) − ungesteuerter Werkstofffluss in der Umformphase − Lage der Teilungsebene bzw. der Platine im Werkzeug
Fehlerverhütung − Vorform optimieren − Reduzierung des Ziehverhältnisses − Verwendung geeigneter Werkstoffe − Änderung der Halbzeugbzw. Bauteilgeometrie − Werkstofffluss verbessern
− Steuerung des Werkstoffflusses − Optimierung des Werkzeugs
3.7.4 Prozessmonitoring und Überwachungssysteme Prozessmonitoring und Überwachungssysteme sind heute in der Umformtechnik Stand der Technik. Sie dienen dazu, den gesamten Fertigungsprozess durch geeignete Sensorik zu begleiten, um einen sicheren Ablauf aller Fertigungsschritte zu gewährleisten und eine wiederholbar gute Qualität des Prozesses zu ermöglichen. Dazu ist es notwendig, die gesamte Maschine, das Werkzeug und die Produktqualität vor zufälligen und systematischen Störungen zu bewahren [175]. Der Schutz der Presse wird durch Integration geeigneter Kraft- bzw. Drucksensoren in den Pressenrahmen und/oder durch die hydraulische Überlastsicherung gewährleistet. Um eine sichere Überwachung von Umformwerkzeugen zu erreichen, müssen Kraftsensoren maschinenfest in der Nähe des Werkzeugs installiert werden. Mögliche Messorte für Sensoren sind im Stößel, in einer Sensorplatte zwischen Stößel- und Werkzeugkopfplatte oder in Spannnuten. Eine Installation von Kraftsensoren in die Umformwerkzeuge erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen eher selten, da aufgrund der Vielzahl von Krafteinleitungsorten eine große Anzahl von Sensoren notwendig wäre [175]. Übliche Presskraftüberwachungssysteme, die zum Schutz der Presse und des Werkzeugs eingesetzt werden, überwachen überwiegend den Betrag der Schließkraft, den Innendruck und die Axialkräfte.
156
3 Prozessgestaltung
Zur Qualitätssicherung der gefertigten Produkte wird einerseits die Überwachung der Fertigteile hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften in der Praxis durchgeführt. Andererseits ist die indirekte Qualitätsüberwachung durch Erfassung von spezifischen Prozessgrößen eine wirksame und kostengünstige Alternative. Direkte Qualitätskontrollen werden an den Halbzeugen vor dem Prozess, nach Biegeoperationen vor dem eigentlichen IHU-Prozess und am IHU-Fertigteil durchgeführt. Die Kontrolle der Halbzeugeigenschaften erfolgt anhand stichprobenartiger zerstörender und durch kontinuierliche zerstörungsfreie Prüfungen (vgl. Hauptabschn. 3.7.2). Für die Bauteilmaßprüfung (nach Vorbiegeprozessen und nach dem IHU-Prozess) sind 100%In-Line-Prozessüberwachungssysteme verfügbar [115]. Hierbei kann auf ortsfeste Systeme, bei denen die Sensoren an einem Stahlrahmen montiert sind, auf flexible Systeme, bei denen der Sensor durch einen Industrieroboter geführt wird, oder hybride Systeme, die eine Kombination beider Varianten darstellen, zurückgegriffen werden. Bei diesen Überwachungssystemen kommen berührungslose optische Messverfahren zur Anwendung. Aus den Messwerten können 3D-Koordinatenwerte berechnet, mit den CAD-Solldaten verglichen und in Echtzeit in diversen Auswerteformaten bereitgestellt werden. Fehlerhafte Bauteile werden sofort aus dem Fertigungsprozess ausgeschleust. Neben der direkten Qualitätskontrolle kommt der indirekten Qualitätskontrolle in Überwachungssystemen eine große Bedeutung zu. Hierbei müssen relevante Prozessgrößen mit einem geeigneten Sensoriksystem erfasst werden. Um online auf geänderte Bedingungen reagieren zu können, ist eine Ist-Prozessdaten-Erfassung erforderlich. Die Spezifik der Prozesse von IHU und IHB erfordert dabei den Einsatz differenzierter Sensorsysteme. Ein wichtiges Unterscheidungskriterium ist hierbei der Blecheinzug. Beim IHU erfolgt das Nachschieben von Material in die Umformzone durch Axialstempel. Der Axialstempelweg ist als Maschinenparameter über die Prozesssteuerung verfügbar. Beim IHB kann das Flanscheinzugverhalten durch das Niederhaltersystem beeinflusst werden. Für die Messung des Flanscheinzugs beim IHB sind spezielle Sensoren erforderlich. Bei der Entwicklung flexibler Überwachungssysteme sollte eine Minimierung der werkzeugspezifischen Hardware angestrebt werden, um die Nutzung unterschiedlicher Werkzeugsysteme zu ermöglichen und eine schnelle Anpassung oder Erweiterung bei veränderten Betriebsbedingungen zu erreichen. Um die Vielzahl der möglichen zu überwachenden Prozessdaten beim IHB zu veranschaulichen, wird eine Sensorik aus [60] vorgestellt.
3.7 Qualitätssicherung
157
Folgende Prozessgrößen wurden bei diesem Überwachungssystem integriert: − − − −
der Innendruck pi die Dicht- bzw. Niederhalterkraft Fdicht bzw. FNiederhalter die Gegenhaltekraft Fgegen der Druckübersetzerweg und damit auch der Volumenstrom Q des Wirkmediums − die aktuelle Position der Flanschaußenkante − die Ziehtiefe Z − der Abstand zwischen Niederhalter und Matrize a Für die Messung dieser Größen sind unterschiedliche Sensoren erforderlich. So erfolgt die Erfassung des Wirkmediendrucks durch einen piezoresistiven Drucktransmitter. Die Stößel-, Niederhalter- und Gegenhalterkräfte werden durch Druckaufnehmer, die in der Zylinderzuleitung angeordnet sind, erfasst. Ein inkrementaler Wegaufnehmer, der über ein vorgespanntes Zahnriemensystem angetrieben wird, erfasst den Druckübersetzerweg. Dieser ist u.a. zur Volumenstrombestimmung erforderlich. Durch Flanscheinzugssensoren werden Informationen über den aktuellen Flanscheinzug gewonnen. Aus dem Bereich der Tiefziehprozessregelung sind taktile, optische, induktive und pneumatische Blecheinzugsensoren bekannt [50]. Die Werkstücktiefe wird entweder über die aktuelle Gegenhalterposition oder einen speziellen Tiefensensor (Schersensor) erfasst, wobei jeweils induktive Wegaufnehmer zum Einsatz kommen. Die Sensorsignale müssen zur weiteren Nutzung mit einer Signalverarbeitung (entsprechende Verstärker- und A/D-Wandlerschaltungen) an nachgeschaltete Auswerteeinheiten, z.B. Industrie-PC oder SPS, angepasst werden. Die gewonnenen Messdaten werden in Überwachungssystemen genutzt, u.a. − zur Bediener-Information und Bediener-Führung, − zur Bewertung des Prozesses im Sinne einer Trendanalyse und − als Eingangsgrößen für Prozesssteuerungsaufgaben (s. Hauptabschn. 3.7.5). Durch eine Online-Visualisierung der Prozessparameter, in modernen Systemen mit bedienerfreundlicher Windows-Oberfläche, wird der Bediener über den genauen Fertigungsablauf informiert, und er kann in den Prozess eingreifen. Bei Überschreitung vorgegebener Grenzwerte ist eine optische oder akustische Signalisierung des Bedienpersonals möglich.
158
3 Prozessgestaltung
2.000 Axialstempelweg Innendruck
1.000
120
80
0
0
1
2
3 4 Zeit in s
5
6
7
Druckeinbruch
200
3.000
160
2.000
120
1.000
Innendruck in bar
160
Innendruck in bar
3.000
200
Axialstempelweg in mm
Axialstempelweg in mm
Für eine Rückverfolgung von Qualitätseinbrüchen oder tendenziellen Verschiebungen von Prozessparametern ist eine Speicherung und Dokumentation unerlässlich. Die Möglichkeit des Erkennens von Prozessfehlern eines IHU-Prozesses soll anhand der Zeitverläufe von Axialstempelweg und Innendruck dargestellt werden. Kommt es während der Phase der freien Umformung zum Bersten des Bauteils, entweicht Wirkmedium aus dem Innenraum des Bauteils und es tritt ein kurzzeitiger Druckabfall auf. Dieser Druckeinbruch ist ein hinreichendes Kriterium für den Versagensfall Bersten. Ein kontinuierlicher Druckanstieg kennzeichnet einen fehlerfreien Umformprozess. In Abb. 3.134. sind die Kurvenverläufe eines fehlerfreien Prozesses und des Versagensfalls Bersten dargestellt. Die Messdaten wurden bei Untersuchungen am Fraunhofer IWU Chemnitz aufgezeichnet.
0
80 0
1
2
3 4 Zeit in s
5
6
7
Abb. 3.134. Axialstempelweg-Zeit- und Innendruck-Zeit-Verläufe für einen fehlerfreien Prozess (links) und den Versagensfall Bersten (rechts)
3.7.5 Prozessregelsysteme Ziel einer Regelung im Produktionsprozess ist es, den Prozess kontinuierlich zu bewerten und gegebenenfalls zu korrigieren. Dazu ist eine ständige Kontrolle des Qualitätszustandes des Umformteils im Prozess erforderlich. Die Qualität soll durch die Eliminierung von systematischen und die Reduzierung von zufälligen Einflüssen gesichert werden. Beim Innenhochdruck-Umformen sind Konzepte bekannt, die auf Prozesssteuerungen unterschiedlicher Parameterkombinationen (z.B. Innendruck, Axialstempelweg) basieren. Verschiedenste integrierte Regelstrecken beeinflussen die Prozessparameter, um die vorgegebenen Sollkurven im Fertigungsprozess einzuhalten. Während der Fertigungsvorbereitung werden anhand des Arbeitsdiagramms (vgl. Abschn. 3.3.2.3, Abb. 3.54.), von FEM-Simulationen und durch Versuche in der Prototypenphase Soll-
3.7 Qualitätssicherung
159
kurvenverläufe für das spezielle umzuformende Teil ermittelt, für die im Prozessablauf eine versagensfallfreie Umformung zu erwarten ist. Eine Erweiterung solcher Prozesssteuerungen zu einer Prozessregelung basiert darauf, bei Änderungen des Prozesszustandes – z.B. durch Störgrößen wie schwankende Halbzeugtoleranzen – die Sollkurven innerhalb der durch das Arbeitsdiagramm vorgegebenen Grenzen zu modifizieren. Voraussetzung für den Aufbau solcher Systeme ist eine Online-Erfassung der relevanten Prozessgrößen. Sensorik und Überwachungskonzepte, wie unter 3.7.4 diskutiert, bilden die Grundlage dafür. Stand der Technik im Bereich des Pressenbaus sind heute Steuerungskonzepte, die eine Trennung von sicherheitskritischen und anlagen- bzw. prozesssteuerungstechnischen Funktionen vorsehen. Dies resultiert aus restriktiven Vorschriften der Berufsgenossenschaften bzw. des Gesetzgebers [67, 88]. Sicherheitskritische Steuerungskomponenten werden daher meistens in festverdrahteter elektromechanischer Ausführung separat aufgebaut, wohingegen die anlagen- bzw. prozesssteuernden Systeme heute i.d.R. als SPS ausgeführt werden [60]. Ebenso, wie bereits im Hauptabschn. 3.7.4 dargestellt, sind Prozesssteuersysteme für Innenhochdruck-Umformprozesse aufgrund unterschiedlicher Prozesscharakteristika von IHU und IHB verschiedenartig auszulegen. Es werden unterschiedliche Prozessparameter genutzt. Um ein Höchstmaß an Flexibilität von Steuerungssystemen für unterschiedliche Werkzeuge und Maschinen zu erzielen, wird die Nutzung vorrangig technologischer Prozessparameter der Umformanlage, z.B. Innendruck und Axialstempelweg, angestrebt. Diese Parameter sind mit entsprechenden Druck- und Wegsensoren, deren Einsatz in Umformmaschinen bereits üblich ist, messbar. Auf eine Integration zusätzlicher Sensorik kann damit verzichtet werden. Die Parameter Innendruck und Axialstempelweg können als Führungsgrößen bei der IHU von Rohren Erfolg versprechend genutzt werden. Als weitere Steuergröße für den IHU-Prozess wird in [116] die Reibung vorgeschlagen. Bei der IHB stellt der Blecheinzug eine zentrale Kenngröße dar, um einen stabilen, prozesssicheren Umformprozess zu gewährleisten. Um den Blecheinzug zu erfassen, sind jedoch spezielle Sensoren erforderlich (s. Hauptabschn. 3.7.4). Für das Innenhochdruck-Umformen von Rohren werden in [39, 169] Prozesssteuerungen vorgestellt, die auf im Vorfeld ermittelten Sollkurven basieren. Die vorgegebenen Innendruck-Zeit- und Axialstempelweg-ZeitVerläufe werden durch Druck- und Weg-Regelsysteme im Prozess nachgefahren. In einer anderen Variante wird anstelle des Innendrucks das Pumpvolumen des Wirkmediums als Regelgröße genutzt. In [124, 134] bildet eine Methode aus dem Bereich der unscharfen Mengen (Fuzzy-Logic) die Basis für verschiedene Regelkonzepte. Beim
160
3 Prozessgestaltung
Einsatz der Fuzzy-Logic kann auf eine Modellbildung für den IHU-Prozess verzichtet werden, da Fuzzy-Regler nicht mit mathematischen Modellen arbeiten, sondern auf experimentellem Prozesswissen basieren. Während bei der Hydro-Umformung von Rohren die Kräfte der Axialzylinder für die Regelung des Werkstoffflusses Bedeutung haben, sind es bei der Hydro-Umformung von Blechen Änderungen der Prozessgröße Niederhalterkraft bzw. Schließkraft. Am Fraunhofer IWU Chemnitz wurde eine Blecheinzugregelung erfolgreich getestet, die den Weg der Blechplatine während der Umformung ins Werkzeuginnere (Einzugweg) als Regelgröße und die Niederhalterkraft als Stellgröße nutzt (s. Abb. 3.135.). Für die Detektion des Einzugweges werden Sensoren eingesetzt, die nach dem Prinzip der Laser-Triangulation arbeiten. Mit diesen optischen Sensoren kann die Regelgröße Einzugweg hinreichend schnell, genau und zuverlässig erfasst werden. Entsprechend der Komplexität der Geometrie des Umformteils werden ein oder mehrere Sensoren an signifikanten Bereichen des Werkstückumfangs positioniert. Das auf diese Weise ermittelte Wegsignal dient zur Regelung der Niederhalterkraft. Bei einfachen Bauteilgeometrien ist die Beeinflussung des Gesamtbetrags der Niederhalterkraft ausreichend. Für anspruchsvolle Geometrien stehen Mehrpunkt-KissenSysteme zur Verfügung, bei denen die Kräfte einzelner Pinolen unterschiedlich geregelt werden. Damit ist eine definierte Beeinflussung des Blecheinzugverhaltens möglich. Für den Einsatz der Regelstrategie im realen Umformprozess ist zunächst eine Masterkurve des Blechkanteneinlaufs zu ermitteln. Dazu werden für ein konkretes Werkstück verschiedene Kurvenverläufe aufgenommen, um den Arbeitsbereich zwischen Falten- und Rissbildung zu begrenzen. Die Masterkurve wird i. Allg. in der Mitte des Arbeitsbereiches platziert. Entsprechend dem Arbeitsverlauf wird die Masterkurve definiert. Im laufenden IHB-Prozess stellt der Sensor den Wert des IST-Blechkanteneinlaufs bereit. Dieser Wert wird mit dem SOLL-Blechkanteneinlauf (Masterkurve) verglichen und die augenblickliche Regelabweichung bestimmt. Ein nachgeschalteter P/I-Regler ermittelt daraus eine Regelkraft, die zur Grundkraft addiert wird. Mit dieser Regelstrecke wird die wirkende Pinolenkraft gebildet. Bei zu schnellem Einlauf (Gefahr der Faltenbildung) wird die Kraft erhöht, bei zu langsamem Einlauf (Rissgefahr) reduziert. In Abb. 3.136. sind für ein Versuchswerkstück Einzugweg-Zeit-Kurven der Blechkanteneinläufe der Masterkurve, der beiden Versagensfälle (Falten und Reißer) und vom geregelten Prozess dargestellt. Die Masterkurve wurde nicht genau in der Mitte zwischen den beiden Versagenskurven festgelegt, sondern etwas näher an die Faltengrenze gerückt. Dies bewirkt eine zusätzliche Sicherheit. Anhand umfangreicher Testreihen wurde nach-
3.7 Qualitätssicherung
161
gewiesen, dass die Realisierung des beschriebenen Prozess-Regelkreises in hohem Maße zur Qualitätssicherung beiträgt. Zuschnitt Niederhalter
Matrize Teil während des Ziehvorganges
Zieheinrichtung
Pinole
Realisierung
Detektion durch Einlaufsensor
se Soll
se Ist Störgrößen
Rechner
Masterkurve
Vergleich IST- mit SOLL-Einzug
Zieheinrichtung FPinole; ΣFPinole
se Ist < se Soll
FPinole; ΣFPinole
se Ist > se Soll
elektrisches Signal am Ventil
Abb. 3.135. Blecheinzugregelung für IHB
Masterkurve
Einzugweg sE in mm
45
Fehlerteil (Falten)
40
Gutteilfenster
35 Fehlerteil (Reißer)
30
25 0
0,40
0,80
1,20
1,60
2,00
2,40
2,80
3,20
Zeit in s
Abb. 3.136. Einzugweg-Zeit-Kurven der Blechkanteneinläufe einer Blecheinzugregelung
4 Werkzeugtechnik
4.1 Werkzeugkonzepte 4.1.1 Dimensionierung 4.1.1.1 Grundsätzliche Ausführungsvarianten Aufgrund der zu erwartenden, meist relativ hohen Belastungen in HydroUmformprozessen wird auf eine möglichst hohe Steife der Serienwerkzeuge orientiert. Viele Einzelkomponenten würden die Körperfederung des Werkzeugs erhöhen und somit zu unerwünschten geometrischen Veränderungen der Gravur bis hin zur plastischen Deformation (Werkzeugbruch) führen. Übliche konstruktive Ausführungen sind die Monoblockbauweise oder der Aufbau mit Grundblock und Einsätzen. Im letzteren Fall wird ein quasistarrer Grundblock für das Ober- bzw. das Unterwerkzeug vorgesehen, in den Formeinsätze als Aktiv- oder Funktionsteile eingepasst werden. Folgende typische Arten von Formeinsätzen finden in IHU-Werkzeugen Anwendung: − Einsätze als Bestandteile der Werkzeuggravur (Aktivteile) − Verschleißeinsätze bei hohen Flächenpressungen (z.B. Nachschiebebereich Dichtstempel) − bewegliche Einsätze (z.B. Auswerfer, Niederhalter, Schieber) − Einsätze zur Schnellbefüllung mit Medium Die Vorteile von Formeinsätzen liegen in der Flexibilität bezüglich − Austauschbarkeit, − Änderungserfordernissen sowie − Wärmebehandlung und Beschichtung. Ein vollständiger, möglicherweise auch teilweiser Aufbau der Werkzeuggravur (Aktivteile) aus Formeinsätzen wird als Segmentierung bezeichnet.
164
4 Werkzeugtechnik
Dabei gilt konstruktiv grundsätzlich
VFormeinsätze 130 N/mm2
80 N/mm2
> 130 N/mm2
Abb. 4.23. Zonen differenzierter Kontaktdruckverteilung Werkzeug-Mantelfläche eines IHU-T-Stücks ∅ 60,3 mm bei pi = 500 bar, FUJI-Druckmessfolie (High Pressure) nach [80]
Neben der Gravurbelastung kann es aufgrund der Schließkraft und des Innendrucks zu Verschiebungen bzw. zum Aufweiten von Segmenten kommen, was in Abb. 4.24. beispielhaft dargestellt ist.
0 Schließkraft 1.135 kN
-10
Aufweitung in µm
-20 2.270 kN
-30 -40
3.690 kN -50 5.100 kN
-60 -70
6.500 kN -80 0
2
4
6
8 10 Prozesszeit in s
12
14
16
Abb. 4.24. Messschrieb für die Aufweitung eines Werkzeugsegments bei unterschiedlichen Schließkräften nach [79]
Das Aufsetzen des Stößels bewirkt zuerst eine Verlagerung des Segments im Rahmen des Passspiels. Während des Prozesses wird das Segment in horizontaler Richtung aufgeweitet. Nach der Entlastung und dem
184
4 Werkzeugtechnik
Öffnen des Stößels „findet“ das Segment seine Ausgangsposition nicht wieder, d.h. es bleibt um einen minimalen Betrag von etwa 6 µm verschoben. Die Gründe dafür liegen hauptsächlich in einer unzureichenden Passgenauigkeit von Segment und Grundkörper. Abbildung 4.25. zeigt mögliche Ungenauigkeiten zwischen Grundkörper und Segment.
Segment Grundkörper
Abb. 4.25. Ungenauigkeiten zwischen Grundkörper und Segment
Als sehr kritisch in der Auslegung sind Durchbrüche für Schieber und Lochstempel zu betrachten. Extrem schwächende Durchbrüche müssen vermieden werden. Es wird empfohlen, Nachschiebebereiche komplexer Werkzeuge austauschbar zu gestalten und mit einem größeren Sicherheitsfaktor auszulegen. Ein anderer Weg ist möglich, wenn die Ankonstruktion lediglich als Nachschiebebereich dient und nicht Bestandteil der Hauptgeometrie ist. Das Aktivteil wird dann begrenzt elastisch gehalten und nur im Oberflächenbereich gehärtet. 4.1.3 Berechnungsmethoden Die Auslegung von Hydro-Umformwerkzeugen geht von der maximal zu erwartenden Belastung der Gravur aus. Gestaltungsrichtlinien für Grundkörper und Aktivteile, wie sie aus der konventionellen Umformung bekannt sind, gehören zum Know-how der einzelnen Werkzeughersteller und basieren auf Expertenwissen. Entscheidende Einflussfaktoren auf die konstruktive Gestaltung sind neben der Werkstückform und den zu erwartenden Prozessparametern − die vorgesehenen Stückzahlen, − die benötigten axialen und radialen sowie sonstigen Funktionen und − die Einbaubedingungen. Die Dimensionierung ist bei jedem Bauteil sehr spezifisch. Grundsätzlich müssen die Hydro-Umformwerkzeuge bezüglich des zu erwartenden Innendrucks sowie der Schließ- und der Nachschiebekraft hinreichend ausgelegt werden. Für die Berechnungen können in Anlehnung an [177, S. 180] folgende Gleichungen verwendet werden:
4.1 Werkzeugkonzepte
185
Innendruck pi:
pberst = D0 pberst Rm s0
2 ⋅ s0 ⋅ Rm ⋅ 10 [bar] D0 − 2 ⋅ s0
(4.2)
Rohrausgangsdurchmesser [mm] Berstdruck [bar] Zugfestigkeit des Werkstoffs [MPa] Ausgangsblechdicke/Ausgangswanddicke [mm]
pi ≈ 1,5 ⋅ pberst [bar]
(4.3)
Fschließ = pi ⋅ Aproj ⋅ 10 −1 [N]
(4.4)
Schließkraft Fschließ:
Aproj pi
projizierte Fläche [mm²] Innendruck [bar]
Nachschiebekraft Fnach:
Fnach = pi ⋅ Anach ⋅ 10−1 [N] Anach pi
(4.5)
Stirnfläche des Nachschiebestempels [mm²] Innendruck [bar]
Auch die Gravurgöße ist für den Werkzeugeinsatz von Bedeutung. So spielen Gravurtiefe und -breite für die Dimensionierung der Werkzeughöhe und -breite eine entscheidende Rolle. Bei folgenden Annahmen für Einsatzhöhe Z und Einsatzbreite Y(Abb. 4.26.) ergeben sich im Einsatz bei einem optimalen Verhältnis zwischen Einsatzhöhe und Einsatzbreite minimale Spannungswerte bei ausreichender Dimensionierung. Eine Vergrößerung der Einsätze über diese Maße hinaus, auch bei Einhaltung der geometrischen Verhältnisse, bringt keine weiteren Vorteile. Für Formeinsätze gelten folgende geometrische Parameter [190]: Bodendicke des Einsatzes H:
H = 4 ⋅ h [mm] h
(4.6)
Gravurtiefe [mm]
Seitendicke des Einsatzes B:
B = 1,2 ⋅ b [mm] b
Gravurbreite [mm]
(4.7)
186
4 Werkzeugtechnik
Einsatzhöhe Z:
Z = H + h = 5 ⋅ h [mm]
(4.8)
Y = 2 ⋅ B + b = 3,4 ⋅ b [mm]
(4.9)
Einsatzbreite Y:
b B
h Z
H
Y
Abb. 4.26. Geometrische Parameter bei Formeinsätzen für IHB- und IHUWerkzeuge
Die so ermittelten Mindestquerschnitte werden mit einem Sicherheitsfaktor belegt und können auf das Gesamtwerkzeug angewandt werden. Für sehr komplexe Werkstückgeometrien gestaltet sich eine konventionelle Berechnung sehr schwierig, so dass hier auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) zurückgegriffen werden sollte. In [11] und [59] wird auf die Anwendung dieser Methode beim wirkmedienbasierten Umformen eingegangen. Für die Ermittlung der Werkzeugbelastung wird nach zwei möglichen Methoden vorgegangen: − FEM-Umformsimulation mit starren Werkzeugen − FEM-Umformsimulation mit elastischen Werkzeugen Umformsimulation mit starren Werkzeugen Derzeitiger Stand der Technik in der Umformsimulation ist die Beschreibung der Werkzeugflächen mittels CAD und anschließendes Umwandeln dieser Flächen in Flächennetze für die FEM-Programme. Die Werkzeugflächennetze werden von den FEM-Programmen weitestgehend automatisch erzeugt (s. Abb. 4.27.). Diese Netze werden im Allgemeinen als starre Körper betrachtet, d.h. eine Deformation dieser Körper wird während des Umformprozesses nicht zugelassen. Die Umformsimulation mit diesen starren Werkzeugen ermöglicht eine schnelle Aussage zur Machbarkeit eines Bauteils im Bauteilent-
4.1 Werkzeugkonzepte
187
wicklungsstadium sowie erste Abschätzungen über auftretende Kräfte (Abb. 4.28.) an den Werkzeugen. Mit dieser Berechnungsmethode kann die Pressenauswahl getroffen werden, es ist jedoch keine Aussage über den Ort der höchsten Belastung möglich.
Kontaktkraft T-Stü ck – Werkzeug in kN
Abb. 4.27. Darstellung eines Werkzeug- und Bauteilnetzes für ein T-Stück im ausgeformten Zustand (unter Ausnutzung der Bauteilsymmetrien reduziert sich das T-Stück auf ein Viertel-Modell)
150 120 90 60 30 0 0
3
6 9 Zeit in ms
12
Abb. 4.28. Darstellung der auftretenden Kontaktkräfte auf ein Viertel des Werkzeugs
Durch eine Zerlegung des Werkzeugflächennetzes in verschiedene Flächensegmente ist es möglich, die Orte größerer Belastung von Orten niederer Belastung zu differenzieren. Somit kann eine erste Entscheidung über Wanddicken des Werkzeugs in kritischen Querschnitten getroffen werden. Die Segmentierung bewirkt keine Veränderung der Werkzeugflächen, muss aber vom Berechnungsingenieur „von Hand“ vorgenommen werden, was einen höheren Zeitaufwand für die FEM-Modellierung bedeutet.
188
4 Werkzeugtechnik
FEM-Umformsimulation mit elastischen Werkzeugen Damit die elastische Verformung des Werkzeugs in der FEM-Umformsimulation berücksichtigt werden kann, müssen die Werkzeuge in den FEM-Programmen als Volumenkörper betrachtet werden. Hierzu werden 3D-CAD-Volumenmodelle mit Volumenelementen vernetzt und in das FEM-Programm übernommen. Diesem Volumennetz werden Daten für Werkzeugwerkstoffe übergeben, anschließend wird der Umformprozess simuliert. Im Ergebnis lassen sich die Ausformung des Teils sowie die Werkzeugdeformation während des Umformprozesses beurteilen. Mit Hilfe einer Schwachstellenanalyse kann auf die Konstruktion der Werkzeuge eingewirkt werden. So lässt sich beispielsweise ein Werkzeugbruch im Vorfeld abschätzen und damit konstruktiv verhindern. Auf der linken Seite der Abb. 4.29. ist der Werkzeugaufbau für ein ausgeformtes T-Stück, auf der rechten Seite die Spannungsverteilung im Werkzeug dargestellt. Die besonders belastete Ecke wird mit einer Belastung von ca. 180 N/mm² als unkritisch eingeschätzt. Von_Mises_Stress [GPa]
0,0156 0,0274 0,0392 0,0509 0,0627 0,0745 0,0862 0,098 0,1098 0,1216 0,1333 0,1451 0,1569 0,1686 0,1804
Abb. 4.29. Darstellung des FEM-Volumenmodells für ein T-Stück-Werkzeug (links), Vergleichsspannungsverteilung im Werkzeug (rechts)
Abbildung 4.30. veranschaulicht die Flächenpressungen an der Werkzeugoberfläche zu Beginn und am Ende des Umformprozesses. Der Bereich der Rohranlage ist durch höhere Flächenpressungen gekennzeichnet. Mit steigendem Ausformdruck nimmt die Flächenpressung zu. Die Aufdickung am Rohrende bewirkt ebenfalls eine Erhöhung der Flächenpressung.
4.1 Werkzeugkonzepte
189
Pressure_magnitude [GPa] 0,015 0,0318 0,0486 0,0654 0,0821 0,0989 0,1157 0,1325 0,1493 0,1661 0,1829 0,1996 0,2164 0,2332 0,25
Abb. 4.30. Flächenpressung auf der Werkzeugoberfläche zu Beginn (links) und am Ende (rechts) des Umformprozesses
4.1.4 Beschichtungen Reibwerte spielen bei Hydro-Umformprozessen eine entscheidende Rolle. Mit größerem Kontaktdruck infolge steigenden hydrostatischen Drucks im Halbzeug erhöhen sich die Reibkräfte zwischen Werkzeug und Werkstück. Von dieser Größe sind die erzielbaren Umformgrade stark abhängig. Schmiermittel, die vor dem Prozess auf das Halbzeug und/oder die Werkzeuggravur aufgetragen werden, reduzieren die Reibkräfte. Allerdings kommt es beim Einsatz von Schmierstoff zu zwei entscheidenden Nachteilen. Einerseits kann wegen der hohen Flächenpressungen nicht immer ein durchgängiger Schmierfilm garantiert werden (Abrissgefahr), andererseits sind Rückstände im Wirkmedium nicht zu vermeiden. Um dem entgegenzuwirken, kommen z.T. auch Werkzeugbeschichtungen zum Einsatz. Eine derartige Beschichtung bewirkt neben einer Verringerung der Reibkräfte auch eine geringere Adhäsionsneigung, was wiederum zur Minimierung von Verschleißerscheinungen am Werkzeug und damit zur Erhöhung der Standmengen führt. Industriell kommen vor allem Diffusionsschichten zum Einsatz, die oft nur im Bereich weniger Mikrometer liegen. Diffusionsschichten werden insbesondere mit dem Ziel eingesetzt, die Härte und die Verschleißfestigkeit oberflächennaher Bereiche zu erhöhen [129]. Als typische Verfahren sollen hier Nitrieren, Nitrocarburieren sowie Borieren und Chromieren genannt werden. Aber auch kohlenstoffbasierte Beschichtungen haben sich im Bereich der Fertigungstechnik durchgesetzt. PVD (Physical Vapour Disposition)und CVD (Chemical Vapour Disposition)-Verfahren ermöglichen die Abscheidung einer Vielzahl verschiedener Materialien. Dadurch lassen sich die Schichten optimal den zu bearbeitenden Werkstoffen anpassen [15].
190
4 Werkzeugtechnik
Mit diesen Verfahren können unter anderem metallharte Schichten (MeDLC), Titannitrid-Beschichtungen (TiN), harte amorphe Kohlenwasserstoff-Schichten oder modifizierte DLC (Diamond Like Carbon)-Schichten mit angepasster Benetzbarkeit hergestellt werden. Für das Hydro-Umformen kommen neben den häufig verwendeten Chromschichten auch HF-DLC-Beschichtungen zur Anwendung, bei denen die Anregung des Plasmas für die Abscheidung mittels Hochfrequenz (HF: 13,56 MHz) erfolgt. Diese HF-DLC-Schichten werden in der Werkzeuggravur aufgetragen. Abbildung 4.31. zeigt ein DLC (Diamond Like Carbon)-beschichtetes Versuchswerkzeug [80] zum Ausformen eines T-Stücks.
Abb. 4.31. DLC-beschichtetes Versuchswerkzeug
Mit dieser Beschichtung ist es möglich, die Reibkräfte während des Prozesses um bis zu 35% zu verringern. Weiterhin wird vor allem beim Einsatz von Edelstahlrohren eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität erzielt. Begründet werden kann dies mit der extrem glatten Oberfläche der DLC-Schicht. Bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen sollte eine DLC-Beschichtung jedoch nur angewendet werden, wenn kein signifikantes Nachschieben erforderlich ist, da diese Werkstoffkombination ein ungünstiges Reibungsverhalten aufweist.
4.2 Werkzeugfertigung und -wartung 4.2.1 Bearbeitungscharakteristik Die Fertigung von Hydro-Umformwerkzeugen ist häufig durch die Realisierung hoher Spanvolumina gekennzeichnet. Dies betrifft sowohl die Bearbeitung tiefer Taschen bzw. Freimachungen in Werkzeuggrundkörpern mit Einsätzen und Schiebern als auch die Gravurbearbeitung dreidimensional im Raum verlaufender Bauteile.
4.2 Werkzeugfertigung und -wartung
191
Fräsen und Bohren sind die Hauptbearbeitungsverfahren zur Werkzeugherstellung, wobei das Fräsen mit ca. 75% der benötigten Fertigungszeit deutlich überwiegt. Analysen in Firmen des Werkzeug- und Formenbaus ergaben weiterhin, dass innerhalb des Bearbeitungsverfahrens Fräsen die Schruppoperation sowohl der Grund- als auch Formbearbeitung mit 70 bis 80% der benötigten Hauptzeit signifikant ist. Die Schlichtoperation ist mit 20 bis 30% deutlich geringer beteiligt. Damit stellt die Schruppoperation einen wesentlichen Zeit- und Kostenfaktor dar. Beim Schruppen kann eine Verfahrensoptimierung durch Einsatz unterschiedlicher Werkzeugkonzepte realisiert werden. Besonders die Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen (Hauptabschn. 4.2.2) ist für leistungsfähige Werkzeugmaschinen bezüglich Drehmoment und Antriebsleistung vorteilhaft einsetzbar. Beim Schlichten werden Bearbeitungszeiten und -kosten sowie erreichbare Oberflächenqualitäten durch die dynamischen Maschineneigenschaften (Ruck, Beschleunigung, Verfahrgeschwindigkeit) signifikant beeinflusst. Für tiefe Kavitäten sowie flach gekrümmte Oberflächen sind 5-AchsSimultanbearbeitungsstrategien vorteilhaft einsetzbar. Die Anwendung torischer Werkzeuge ermöglicht gegenüber der Bearbeitung mit Kugelkopfwerkzeugen Bearbeitungszeitreduzierungen von bis zu 80%. Wesentliche Voraussetzungen für diese effiziente Bearbeitung stellen das CAM-System mit den integrierten Funktionen Kollisionserkennung und Kollisionsvermeidung sowie Maschinenkonzepte mit hochdynamischen Antrieben und Steuerungen dar. Konturabweichungen kleiner 0,03 mm sind auch in gehärteten Werkstoffen durch Fräsen erreichbar. Oberflächengüten Rz kleiner 1 µm gestatten die Substitution der manuellen Nacharbeit bzw. die Minimierung des Aufwandes. 4.2.2 Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen 4.2.2.1 Theoretische Vorbetrachtung Bohrschruppen ist eine Fertigungsstrategie, bei der das Zerspanvolumen ausschließlich durch das Verfahren in Richtung der Z-Maschinenachse realisiert wird. Hierbei handelt es sich weder um ein klassisches Bohren ins Volle noch um ein herkömmliches Fräsverfahren. Einsatzgebiet ist die Bearbeitung tiefer Gravuren, bei denen Werkzeuglängen-Durchmesser-Verhältnisse größer 2 bis 3 benötigt werden. Kennzeichen dieser Strategie ist ein seitliches Versetzen des Werkzeugs in der X Y -Ebene und somit das Ausarbeiten der Gravur auf Basis eines aus den CAD-Daten abgeleiteten Bohrbildes. Haupteinflussfaktor auf die Anzahl der zu realisierenden Bohrungen ist hierbei die radiale Eingriffsbreite.
192
4 Werkzeugtechnik
Diese stellt ein Maß für die Überdeckung benachbarter Bearbeitungsbereiche dar. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Werkzeugtypen, und zwar Werkzeuge mit und ohne Zentrumsschneide. Ein wesentlicher Bearbeitungsvorteil der Werkzeuge mit Zentrumsschneide ist der große radiale Versatz und somit die resultierende axiale Verspannung. Bei Werkzeugen ohne Zentrumsschneide muss eine Begrenzung der radialen Eingriffsbreite erfolgen, welche sich nach der Wendeschneidplattenbreite richtet. Eine Bewertung der Bearbeitungsstrategie „Bohrschruppen“ kann durch einen Zeitvergleich für die Bearbeitungsstufe „Schruppen einer Gravur“ erfolgen. Gegenübergestellt werden die üblichen Bearbeitungsstrategien der Werkzeug- und Formenbauer. Hierbei wird als Resultat der Bearbeitung eine Werkstückkontur mit gleichmäßigem Aufmaß definiert. Folgende Bearbeitungsvarianten werden verglichen: − Bohrschruppen (Typ I mit Zentrumsschneide) mit anschließender Restmaterialbearbeitung (Abarbeitung des Restmaterials bis zur Sollgeometrie) − Bohrschruppen (Typ II ohne Zentrumsschneide) mit anschließender Restmaterialbearbeitung − Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug (Schaftfräser mit Eckenradius) − Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie mit anschließender Restmaterialbearbeitung Die neuartige Werkzeuggeometrie mit modifizierter Schneidenform wurde speziell zur Vermeidung von Vibrationen entwickelt, die mit herkömmlichen Werkzeugen bei größeren Auskraglängen auftreten. Die Bearbeitung ist durch reduzierte Schnitttiefen bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Die eingesetzte Wendeschneidplattenform erfordert jedoch eine nachgelagerte Restmaterialbearbeitung in Form des Höhenlinienfräsens. Abbildung 4.32. zeigt die theoretisch ermittelten Bearbeitungszeiten der untersuchten Bearbeitungsstrategien in Abhängigkeit von der Gravurtiefe. Der Durchmesserbereich für die zu realisierende Fräsbearbeitung wurde mit 30 bis 35 mm festgelegt. Die definierten Einsatzbedingungen blieben bei Variation der Gravurtiefe unverändert. Resultierend aus dem Einsatzgebiet des Bohrschruppens sowie dem Werkzeuglängen-DurchmesserVerhältnis ist der Gravurtiefenbereich größer 50 mm von Interesse.
Bearbeitungszeit in min
4.2 Werkzeugfertigung und -wartung
120
193
Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug
100
Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie
80 60
Bohrschruppen (Werkzeugtyp I)
40
Bohrschruppen (Werkzeugtyp II)
20 0
0
20
40
60
80
100
Gravurtiefe in mm
Abb. 4.32. Bearbeitungszeitvergleich bei einer Gravur 125 mm x 250 mm
Aus Abb. 4.32. können folgende Schlussfolgerungen abgeleitet werden: − Das Bohrschruppen (Typ I) zeigt die kürzesten Bearbeitungszeiten, die Zeitdifferenz zur Bearbeitungsvariante Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie steigt mit zunehmender Gravurtiefe. − Der Gewinn an Bearbeitungszeit gegenüber der Variante Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug beträgt bis zu 50%. − Der Vorteil der Bohrschruppvariante I gegenüber der Variante II ist in der Eingriffsbreite von 65% sowie der minimierten Nebenzeit für Positionierung und Rückhub begründet. Wird der Bohrabstand mit nur 50% des Werkzeugdurchmessers definiert, gleichen sich die Bearbeitungszeiten an. − Die Bearbeitungsstrategie Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug ist allen anderen Strategien unterlegen. 4.2.2.2 Bearbeitung eines Referenzteils Aus der theoretischen Vorbetrachtung wurde als bevorzugte Bearbeitungsvariante das Bohrschruppen (Typ I) abgeleitet. Zur Verifizierung dieser Ableitung diente die Bearbeitung eines Referenzteils auf einem UNIONBohrwerk (Abb. 4.33.). Als Referenzteil (Abb. 4.34.) wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einer Gravur in den Abmessungen von ca. 250 mm x 250 mm mit einer maximalen Tiefe von 90 mm definiert. Als Werkstoff wurde der höherfeste Warmarbeitsstahl 3X8CrMoV5-1 (1.2343) ausgewählt. Der Durchmesserbereich der einsetzbaren Werkzeuge liegt bei diesem Teil zwischen 40 und 50 mm. Das WerkzeuglängenDurchmesser-Verhältnis beträgt somit zwischen 2 und 2,5.
194
4 Werkzeugtechnik
Abb. 4.33. Bohrwerk PCR 150 mit hydrostatisch geführtem Tragbalken (UNION WERKZEUGMASCHINEN GMBH)
Abb. 4.34. Bearbeitung des Referenzteils (UNION WERKZEUGMASCHINEN GMBH)
4.2 Werkzeugfertigung und -wartung
195
Für die Ermittlung des Einflusses der Maschinendynamik auf die Bearbeitungszeiten wurden berechnete Zeiten des CAM-Systems mit den realen Maschinenlaufzeiten verglichen. Unabhängig von den untersuchten Bearbeitungsstrategien konnten Korrekturfaktoren abgeleitet werden. Dieser vorschubgeschwindigkeitsabhängige Faktor liegt zwischen 1,35 und 1,5 bei Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 2.000 mm/min und 6.000 mm/min. Die optimale Annäherung der Schruppgeometrie an die zu realisierende Werkstückkontur wurde beim Bohrschruppen durch zwei Bearbeitungsstufen realisiert. Nach der Anwendung des Werkzeugs mit Zentrumsschneide (Typ I) wird zur Reduzierung des Restmaterials das Bohrschruppwerkzeug (Typ II) mit begrenzter radialer Eingriffsbreite eingesetzt. Als optimale Bearbeitungsparameter des Bohrschruppwerkzeugtyps I für die Startbohrung und für die Erweiterung konnten eine Schnittgeschwindigkeit von 220 m/min sowie ein Zahnvorschub von 0,043 mm bzw. 0,072 mm unter Verwendung der inneren Kühlmittelzufuhr ermittelt werden. Als Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugtyps II wurden 800 mm/min definiert, die radiale Eingriffsbreite betrug 7 mm. Anschließend erfolgte die Restmaterialbearbeitung durch Höhenlinienfräsen mit torischem Werkzeug, als Vorschubgeschwindigkeit wurde ein Wert von 2.500 mm/min abgeleitet. Abbildung 4.35. zeigt den Vergleich der untersuchten Bearbeitungsstrategien − Bohrschruppen mit Höhenlinienfräsen, − Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug und − Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie und Höhenlinienfräsen.
Bearbeitungszeit in min
160
120
131 115
80
40
62
0 Bohrschruppen
Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug
Abb. 4.35. Bearbeitungszeitvergleich
Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie
196
4 Werkzeugtechnik
Die reale Bearbeitungszeit der Bohrschruppstrategie betrug insgesamt 62,0 min, wobei für das Bohrschruppen 26,75 min und für das Restmaterialfräsen 35,25 min aufgezeichnet wurden. Die Fertigungszeiten der Bearbeitungsstrategie Rohteilschruppen wurden mittels CAM-Systemzeit und entsprechenden Korrekturfaktoren ermittelt. Aus der Übersicht kann abgeleitet werden, dass die Fertigungszeit bei Anwendung des Bohrschruppens auf 50% der Bearbeitungszeit der Strategie Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug gesenkt werden kann. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die radiale Eingriffsbreite beim Fräsen mit torischem Werkzeug maximal 50% des effektiven Durchmessers betragen konnte. Mit Erhöhung der radialen Eingriffsbreite auf 100% des effektiven Durchmessers wird zwar der Effektivitätsvorteil des Bohrschruppens reduziert, jedoch kann immer noch ein zeitlicher Vorteil von über 25% ausgewiesen werden. Die Strategie Bohrschruppen ist auch der Variante Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie überlegen. Nachteilig bei der Strategie mit neuartiger Werkzeuggeometrie wirkt sich die notwendige Restmaterialbearbeitung aus. Die Erhöhung der Eingriffsbreite beim Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeugschneide führt zu einer minimalen Fertigungszeit von ca. 53 min, die anschließend notwendige Restmaterialbearbeitung (Höhenlinienfräsen) erhöht die Bearbeitungszeit auf ca. 88 min. Ein Effektivitätsvorteil wird nur mit der Abbildung der Werkzeuggeometrie im CAM-System und der damit verbundenen Substitution der Restmaterialbearbeitung erreichbar sein. Als Fazit der Referenzteilbearbeitung kann abgeleitet werden, dass die Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen eine effektive Alternative zu den bisher bekannten Schruppstrategien im Werkzeug- und Formenbau darstellt. 4.2.3 Wartung Um nachhaltig hohen qualitativen Ansprüchen gerecht werden zu können, müssen Hydro-Umformwerkzeuge in definierten zeitlichen Abständen gewartet werden. Wegen der während des Umformprozesses auftretenden hohen Flächenpressungen und großen Schließkräfte sind die Werkzeuge einer hohen Belastung ausgesetzt. Folgende Fakten sollten bei einer visuellen Prüfung der Werkzeuge betrachtet werden: − Setzungserscheinungen im Werkzeuggrundkörper oder an den Segmenten − Einrisse sowie Absplitterungen an den Aktivteilen und Dichtstempeln
4.3 Tryout und Werkzeugerprobung
197
− Gravurbeschädigungen, speziell im Nachschiebebereich (z.B. Riefen, erhöhte Rauheit) − Parallelität der Teilungsebene Trotz des Einsatzes von Abstimmplatten kann es zu Setzungserscheinungen kommen. Dabei entstehen plastische Deformationen, die nur mittels mechanischer Bearbeitung oder Neuanfertigung kompensiert werden können. Aus diesem Grund sollten Abstimmplatten regelmäßig geprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden. Vor allem beim Schließen des Werkzeugs kann es bei unterschiedlichen Halbzeugtoleranzen zum Abscheren von Werkstoff kommen, der dann zwischen die beiden Werkzeughälften gelangt. Die Folge sind mögliche Absplitterungen von Gravurecken oder -kanten. Besonders scharfe Ecken in Höhe der Teilungsebene sollten auch während des Serienprozesses visuellen Kontrollen unterzogen werden. Speziell in den Aktivteilen im Nachschiebebereich kann es aufgrund der hohen Reibkräfte zu Beschädigungen der Gravur kommen. Um solche Schäden möglichst auszuschließen, sollten die eingesetzten Halbzeuge entgratet und von jeglichen Spänen befreit werden. Eine ständige Säuberung der Gravur nach jedem Umformprozess hat sich zur Vermeidung von Spanablagerungen im Werkzeug bewährt. Mittels Luftdruck erfolgt ein schnelles Reinigen, wobei Späne und restliches Fluid entfernt werden. Werden Trockenschmierstoffe im Hydro-Umformprozess verwendet, müssen eventuelle Ablagerungen des Schmiermittels aus der Gravur des Werkzeugs entfernt werden. Die Parallelität der Teilungsebene ist für die Maßgenauigkeit der herzustellenden Bauteile von größter Bedeutung. So kann es bei Nichteinhaltung zu Abdrücken der Teilungsebene im Bauelement kommen. Vor allem bei hohen Stückzahlen sollte daher die Parallelität regelmäßig geprüft werden, um mögliche qualitative Veränderungen frühzeitig zu erkennen. Nicht nur die Werkzeuggrundkörper und Segmente, sondern auch die Dichtstempel müssen in regelmäßigen Abständen während des Prozesses einer visuellen Kontrolle unterzogen werden. Selbst bei geringen Einrissen oder Abplatzungen sollten sie unverzüglich gewechselt werden, da es sonst zu hohen Druckverlusten und somit zur ungenügenden Ausformung des Bauteils kommen kann.
4.3 Tryout und Werkzeugerprobung Die Realisierung eines qualitätsgerechten Bauteils ist nicht nur vom Niveau der Technologie und der Werkzeugkonstruktion sowie vom einge-
198
4 Werkzeugtechnik
setzten Werkstoff bzw. Halbzeug, sondern auch von der praktischen Ausführung des Hydro-Umformwerkzeugs abhängig. Tryout und Erprobung sowie Inbetriebnahme des Werkzeugs bestimmen nicht nur das Umformergebnis, sondern meist auch Werkzeuglebensdauer und -instandhaltungsaufwand im Serienbetrieb. Nach der Fertigstellung eines Hydro-Umformwerkzeugs ist dessen Einarbeitung und Erprobung durchzuführen. Diese Erprobung sollte mit der gleichen Umformanlage erfolgen, die auch in der Serienfertigung der Bauteile verwendet wird. So können spezifische Eigenschaften der Anlage bei der Einarbeitung des Werkzeugs berücksichtigt werden. Beim Einarbeiten oder „Einfahren“ eines neuen Werkzeugs, dem so genannten Tryout, muss zwischen der Hydro-Umformung von Rohren und Profilen sowie der Hydro-Umformung von Blechen unterschieden werden. Rohre und Profile Je komplizierter das Werkzeug ist, desto umfangreicher ist im Allgemeinen der Aufwand beim Tryout. Ein erstes Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften sollte bereits im Werkzeugbau, noch außerhalb der Presse, erfolgen (Kollisionsprüfung). Dann wird durch Tuschieren die Parallelität der oberen und unteren Schließflächen überprüft. Danach erfolgt das Schließen beider Werkzeughälften bei eingelegtem Halbzeug. Es wird geprüft, ob sich das Werkzeug ordnungsgemäß schließen lässt oder ob evtl. Werkstoff zwischen den Dichtflächen von Ober- und Unterwerkzeug eingeklemmt wird. Lässt sich ein Abquetschen von Werkstoff nicht vermeiden, so sind entweder am Halbzeug (z.B. Reduzieren des Durchmessers) oder am Werkzeug Änderungen vorzunehmen. Das gleichmäßige Tragverhalten des Werkzeugs wird durch Tuschieren überprüft. Dabei können „nicht tragende Bereiche“ in der Werkzeugtrennebene sichtbar gemacht werden. Sind hierdurch Qualitätsmängel am Bauteil festzustellen, so ist das Werkzeug nachzubearbeiten, bis das Werkstück den Qualitätsanforderungen entspricht. Bei einer (mehrfach) gekrümmten Werkzeugkontur sind oftmals Änderungen an den Vorbiege- bzw. Vorformoperationen vorzunehmen, damit sich das Halbzeug problemlos einlegen und das Werkzeug ordnungsgemäß schließen lässt. Optimal ist ein Zustand, bei dem sich zwischen eingelegtem Halbzeug und Werkzeugkontur ein Abstand von ca. 1 mm einstellt. Weiterhin kann ein Versatz der beiden Werkzeughälften zueinander eintreten (Abb. 4.36.). Vor allem, wenn dies rechtwinklig zur Bauteillängsachse geschieht, bildet sich die Trennebene auf dem Bauteil ab. Durch Einlegen von Stahlfolie zwischen die am Werkzeugrand befindlichen Gleitplatten sind geringfügige Korrekturen möglich. Diese Korrekturen sind jedoch maximal bis 0,2 mm zu empfehlen. Größere Versatzerschei-
4.3 Tryout und Werkzeugerprobung
199
nungen sind als Fertigungsfehler zu werten und können beim Tryout nicht kompensiert werden. Versatz der beiden Werkzeughälften
Abb. 4.36. Werkzeugversatz
Durch mehrmaliges Schließen des Werkzeugs unter voller Belastung muss auch das Führungsverhalten beweglicher Bauteile, wie Schieber für Nebenformelemente oder Locheinheiten, überprüft werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Abdichten der beiden Rohr- bzw. Profilenden mit einem speziell zum Werkzeug gehörenden Dichtstempel. Die Dimensionierung, insbesondere der Dichtkontur an der Stirnfläche, ist exakt auf das Halbzeug abzustimmen. Idealerweise ist der Dichtstempel hoch verschleißfest, besitzt also eine hohe Standzeit und belastet sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück nur minimal. Abbildung 4.37. zeigt einerseits einen unbedingt zu vermeidenden Versatz der Achsen von Halbzeug und Dichtstempel, andererseits eine mögliche Gestaltung der Stirnfläche des Dichtstempels. Achsversatz
Gestaltung Dichtstempel
Abb. 4.37. Achsversatz zwischen Halbzeug und Dichtstempel sowie Gestaltung des Dichtstempels
Ist Dichtheit gewährleistet, erfolgt die eigentliche Gestaltung des Umformprozesses, indem die Druckaufbaukurve ermittelt wird. Bei reinen Kalibriervorgängen ist der maximal erreichbare Innendruck aus Wirtschaftlichkeitsgründen möglichst schnell einzustellen. Ist ein axiales Nachschieben des Halbzeugwerkstoffs erforderlich, müssen Axialkraft und Innendruck exakt aufeinander abgestimmt werden, um möglichst viel Werkstoff ins Werkzeuginnere nachschieben zu können, ohne dass ein
200
4 Werkzeugtechnik
Ausknicken, eine Faltenbildung oder ein zu starkes Aufdicken im Nachschiebebereich auftreten. Auch die zurückzulegenden Wege des Axialstempels sind wichtige Parameter beim Tryout, denn sie bestimmen nicht nur die Qualität des Bauteils (erreichbare Umformgrade, Wanddickenverläufe), sondern auch die Reproduzierbarkeit des Prozesses. Für das Umformergebnis ist eine Optimierung der Kombination der aus dem Innendruck resultierenden Zugspannungen mit den aus den Axialkräften eingeleiteten Druckspannungen erforderlich. Die dabei erzielte Vergleichsspannung ist wichtig, um in jeder Phase des Umformprozesses das Fließen des Werkstoffs zu garantieren und vor allem das Ausknicken des Werkstoffs vor dem Fließen zu verhindern [19]. Nur eine kombinierte Zug- und Druckspannung ermöglicht die den Hydro-Umformprozess auszeichnenden großen Formänderungen. Die Realisierung optimaler Druckaufbaukurven ist der intelligente Teil des Tryout, der sowohl auf der Erfahrung des Einrichters als auch auf einer vorherigen Prozesssimulation beruht. Bleche Bei der Hydro-Umformung von Blechen hat das Tuschieren der beiden Werkzeughälften eine besondere Bedeutung. Da kein „Hohlkörper“ vorhanden ist, in dem sich das Fluid befindet, muss die Abdichtung über die beiden, möglichst exakt parallel zueinander verlaufenden Dichtflächen von Werkzeugober- und -unterteil erfolgen. Somit bedarf es unbedingt einer Überprüfung des Tragbildes, wenn das Ober- auf das Unterteil auffährt. Dies wird zunächst ohne und anschließend mit einer Zuschnittsplatine (bei Doppelplatinen-Verarbeitung mit zwei Platinen) realisiert (Abb. 4.38.).
keine ausreichende Flächenpressung in diesem Bereich
festes Aufsitzen des Oberwerkzeugs auf diesem Bereich
Abb. 4.38. Ungenügendes Tragbild
Dabei wird eine wasserlösliche Paste (Tuschierpaste) sehr dünn auf eine Seite der Trennfläche zwischen Ober- und Unterwerkzeug (später auch auf die Zuschnittsplatine) gestrichen. Beim Schließen der beiden Werkzeughälften erfolgt ein Abdruck der Tuschierpaste auf der unbestrichenen
4.3 Tryout und Werkzeugerprobung
201
Werkzeughälfte. Dies erfolgt aber nur bei einem Aufeinandertreffen der beiden Trennebenen. An Stellen, die diesen Abdruck nicht aufweisen, besteht ein Spalt zwischen Ober- und Unterwerkzeug. Es ist mit dieser Methode nicht quantifizierbar, welche Größe dieser Spalt aufweist. Immerhin können hiermit aber Spalte sichtbar gemacht werden, die sich im 1/1000 mm-Bereich bewegen. Im IHB-Prozess sind Spalte in der Trennebene mit erhöhter Leckage verbunden und gehen damit stets mit Druckverlust einher. Dieser Druckverlust schränkt die Ausformung des Bauteils ein und führt zu einem undefinierten Einfließverhalten des Bauteilwerkstoffs in die Umformzone. Abbildung 4.39. zeigt die Veränderung des Tragbildes nach dem Einarbeiten des Werkzeugs.
Tragbild nach dem Fräsen des Werkzeugs
Tragbild nach dem Einarbeiten
Abb. 4.39. Veränderungen des Tragbildes nach dem Einarbeiten des Werkzeugs
Segmentierte Werkzeuge Viele Werkzeuge werden heute als segmentierte Werkzeuge ausgeführt. Die Segmentierung bietet vor allem Vorteile bei der Wärmebehandlung und beim Ersetzen stark verschlissener Gravurbereiche. Weiterhin können Bauteile mit gering voneinander abweichender Geometrie in einem Grundwerkzeug gefertigt werden. Der Zugang zu Locheinheiten etc. kann durch den Einsatz von Segmenten ebenfalls erleichtert werden. Durch die unterschiedlichen Beanspruchungen der Segmente in den einzelnen Bereichen der Gravur sind oftmals Werkstoffauswahl und Wärmebehandlungsart der Segmente unterschiedlich. Dies führt im Serieneinsatz zu differenzierten Setzungserscheinungen der Segmente (Abb. 4.40.) und im
202
4 Werkzeugtechnik
Weiteren zu Absätzen an der Bauteiloberfläche. Bei größeren Absätzen wird das Fließen des Werkstoffs zusätzlich behindert, was zur Beschädigung der Oberfläche bis hin zum Aufwerfen von Werkstoff führen kann. Sind die Absätze gering, kommt es dennoch zu optischen Abzeichnungen der Trennstellen auf dem Bauteil. Bei sehr hohen Belastungen kann es sogar zum vorzeitigen Zerstören der Einsätze durch Bruch kommen. Setzungserscheinungen der einzelnen Segmente im Werkzeug Werkstück Segmente
Grundwerkzeug
Abb. 4.40. Setzungserscheinungen
Das unterschiedliche Verhalten der Werkzeugeinsätze ist in der Werkzeugerprobung so weit zu minimieren, dass schadhafte Verletzungen der Bauteiloberfläche vermieden werden bzw. die optischen Abdrücke am Bauteil im vertretbaren Maße bleiben. Dies kann durch Anheben oder Absenken einzelner Segmente oder auch durch Vergrößern von Radien an den Trennstellen der Segmente erfolgen. Ein völlig abdruckfreies Bauteil ist mit einem segmentierten Werkzeug auf Dauer im Serienbetrieb nicht zu erreichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass ein hoher Flächentraganteil zwischen den Segmenten und dem Grundwerkzeug die Voraussetzung für eine gute Maßhaltigkeit der Bauteile und eine hohe Lebensdauer des Werkzeugs ist. Hohe Flächentraganteile werden abgesichert, wenn die Passflächen exakt rechtwinklig ausgeführt und möglichst auf „Nullmaß“ eingepasst sind [19]. Die hier beschriebenen Anpassungen an Hydro-Umformwerkzeugen sind eine Auswahl der am häufigsten durchzuführenden Arbeiten. Im speziellen Einzelfall muss jedoch noch eine Reihe bauteilspezifischer Arbeiten durchgeführt werden.
5 Maschinen
Die Umsetzung des technologischen Prozesses Hydro-Umformung erfolgt auf für dieses Verfahren spezialisierten Umformmaschinen. Aufbau und Funktion derartiger Umformmaschinen sollen im Folgenden näher beschrieben werden.
5.1 Einordnung in das Anlagenkonzept Maschinen zur Hydro-Umformung können je nach ihrem Grad der Verkettung als Einzelmaschinen oder als verkettete Maschinen ausgeführt sein. Die Einzelmaschine ist nicht unmittelbar über Transportsysteme mit vor- oder nachgelagerten Fertigungseinheiten verbunden. Typisch für diese Konfiguration ist das manuelle Beschicken und Entnehmen des Werkstücks. Die verkettete Maschine ist in eine Anlage eingebettet. Über geeignete Transportsysteme erfolgt der automatische Werkstücktransport von vorgelagerten sowie zu nachgelagerten Fertigungseinheiten. Typische vorgelagerte Operationen sind: − − − −
Ablängen Vorformen (Biegen, Stauchen) Reinigen des Rohteils Aufbringen von Schmierstoff
Typische nachgelagerte Prozesse können sein: − − − −
Beschneiden der Enden Laserschneiden von Durchbrüchen Fügeoperationen Reinigen der Werkstücke
Die verkettete Maschine muss in ihrem Zyklus mit den anderen Fertigungseinheiten synchronisiert sein. Diese Synchronisation erfolgt über die Kommunikation zwischen Maschinensteuerung und der übergeordneten Anlagensteuerung. Hochgradig automatisiert verkettete Anlagen zur
204
5 Maschinen
Hydro-Umformung werden insbesondere in der Automobilproduktion eingesetzt. Hydro-Umformanlagen als Einzelanlage oder Bestandteil eines Fertigungssystems werden in Kap. 6.2 (Planungsaspekt Hydroumform-Fertigungssystem) behandelt. Hier wird im Weiteren nur auf die eigentliche Maschine zur Hydro-Umformung eingegangen.
5.2 Übersicht 5.2.1 Funktionen Ausgehend vom Charakter des jeweiligen, die Werkzeugkonstruktion bestimmenden Hydro-Umformverfahrens müssen Maschinen für die HydroUmformung die für das Umformverfahren notwendigen Bewegungen und Prozessgrößen in ihrem zeitlichen Ablauf realisieren. Ein typisches Ablaufdiagramm für die einzelnen Schritte innerhalb des Umformzyklus zeigt Abb. 5.1. Aus dem Ablaufdiagramm lassen sich in Anlehnung an [127] die Hauptfunktionen einer Maschine zur HydroUmformung ableiten: − − − − − − − − − − −
Einlegen Werkstück Schließen Werkzeug Vorformoperationen Zuhalten Werkzeug Befüllen Werkstück mit Wirkmedium Dichten Realisierung Innendruckverlauf Realisierung Nachschieben Zusatzoperationen (Lochen, Fügen, ...) Öffnen Werkzeug Entnahme Werkstück
Sowohl die genannten Hauptfunktionen als auch der Übergang zwischen ihnen können später in signifikante Teilfunktionen detailliert werden. Neben dieser Hauptfunktionalität (Realisierung des technologischen Prozesses) sind vielfach zusätzlich Nebenfunktionen in Maschinen zur HydroUmformung implementiert, beispielsweise Werkzeug-Wechsel-Systeme.
5.2 Übersicht
Ausgangsstellung
Einlegen Teil
Werkzeug schließen
Vorformen
Nebenoperationen (Lochen usw.)
Axialzylinder auf Füllposition
Schnellbefüllung Werkzeug
Axialzylinder auf Dichtposition
Niederdruck im Werkzeug
Nachschieben durch Axialzylinder
Fahren Profil Hochdruck
Anpassen Zuhaltekraft an Innendruck
Rückzug Axialzylinder
Dekompression Werkzeug
Dekompression Zuhaltung
Auswerfen
Öffnen Werkzeug
Entnahme Teil
Ausgangsstellung
Abb. 5.1. Ablaufdiagramm einer Hydro-Umformmaschine
Aufbau Zuhaltekraft
205
206
5 Maschinen
5.2.2 Prinzipieller Aufbau Ausgehend von den Hauptfunktionen einer Hydro-Umformmaschine ergeben sich die Hauptbewegungen, die diese Maschine ausführen muss. Im Einzelnen sind das: 1. Werkzeug schließen, zuhalten und öffnen Für diese Bewegungen ist die Zuhalteeinrichtung zuständig. 2. Vorformen des Werkstücks Dieser erste Schritt der Umformoperation kann ebenfalls durch die Zuhalteeinrichtung ausgeführt werden. 3. Werkstück/Werkzeug mit Druckmedium füllen Dieser Vorgang wird durch das Füllsystem als Bestandteil der Druckachse übernommen. 4. Werkstück/Werkzeug Dichten Das Abdichten erfolgt durch individuell angepasste Dichtsysteme als Bestandteile der Axialachsen oder des Werkzeugs. 5. Innendruckverlauf realisieren Die Erzeugung des Innendrucks sowie dessen Steuerung wird durch die so genannte Druckachse realisiert, die aus Wasseraufbereitung, Füllsystem und Druckübersetzer besteht. 6. Formgebung Die Formgebung erfolgt beim Hydro-Umformen durch das Wirkmedium im Zusammenspiel mit der Werkzeuggravur und optional im Werkzeug integrierten aktiven Formelementen. 7. Steuerung des Materialflusses Das Nachschieben des Materials erfolgt bei der InnenhochdruckUmformung rohrförmiger Teile durch einen oder mehrere Axialzylinder am Werkzeug; beim Innenhochdruck-Blechumformen wird der Blecheinlauf durch das Wirkmedium, unterstützt durch spezifische Niederhalter, verwirklicht. Der prinzipielle Aufbau einer Hydro-Umformmaschine wird in Abb. 5.2. veranschaulicht. Die einzelnen Baugruppen einer Hydro-Umformmaschine werden in den folgenden Abschnitten hinsichtlich Aufbau, Funktion und Auslegung näher erläutert.
5.2 Übersicht
207
Zuhalteeinrichtung Hauptzylinder Kopfstück Seitenständer
Druckü bersetzer
Stößel Oberwerkzeug Axialzylinder pi
Unterwerkzeug Tisch
Quick-Fill Vorfü llsystem Aufbereitung Umformmedium Filterung Kühlung Überwachung
Abb. 5.2. Prinzipieller Aufbau einer Hydro-Umformmaschine
5.2.3 Parameter Die Anforderungen an eine Hydro-Umformmaschine ergeben sich aus dem gewünschten technologischen Prozess. Sie werden vom Maschinenbetreiber in einem Lastenheft formuliert. Auf der Basis des Lastenheftes entwickelt der Maschinenhersteller ein Pflichtenheft, das eine vertraglich bindende, detaillierte Beschreibung der Hydro-Umformmaschine umfasst. Es dient für den Maschinenhersteller als Grundlage der Projektierung, für den Maschinenbetreiber als Abnahmekriterium sowie Basis für die Fertigungsorganisation und -planung. Es empfiehlt sich, eine möglichst präzise und umfassende Beschreibung einer Hydro-Umformmaschine zu erstellen. Sie sollte mindestens die in Tabelle 5.1. genannten Parameter enthalten.
208
5 Maschinen
Tabelle 5.1. Parameter Bezeichnung 1. Werkzeugnahe Parameter Werkzeug-Innendruck Werkzeug-Füllvolumen
projizierte Fläche Werkzeug-Öffnungskraft
Tischfläche
Werkzeug-Einbauhöhe Zusatzfunktionen im Werkzeug Kraft Axialzylinder Geschwindigkeit Axialzylinder Hub Axialzylinder Anzahl Axial-/Radialzylinder
Erläuterung Maximaler und minimaler Druck des Wirkmediums während des Umformprozesses Volumen des Wirkmediums im befüllten, geschlossenen Werkzeug; zu beachten ist auch die Volumenänderung durch den Umformprozess Wirksame Fläche in der Teilungsebene des Werkzeugs, auf die der WerkzeugInnendruck wirkt Ergibt sich aus maximalem WerkzeugInnendruck und projizierter Fläche; diese Kraft bestimmt die maximale Zuhaltekraft der Hydro-Umformmaschine sowie bei außermittiger Schwerpunktlage der Werkstücke das aufzunehmende Kippmoment Länge und Breite des Maschinentisches; bestimmt die maximal möglichen Werkzeugabmessungen für die Hydro-Umformmaschine Minimale und maximale Höhe des geschlossenen Werkzeugs; bestimmt die Arbeitsposition der Zuhalteeinrichtung Lochzylinder, Fügeeinrichtungen usw. Minimale und maximale Kraft eines Axialzylinders Minimale und maximale Arbeitsgeschwindigkeit eines Axialzylinders Zustell- und Arbeitsweg eines Axialzylinders Maximale Anzahl der Axial- bzw. Radialzylinder am Werkzeug
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
209
Tabelle 5.1. (Fortsetzung) 2. Maschinennahe Parameter Zuhaltekraft
Vorformkraft Schließgeschwindigkeit Rückzugsgeschwindigkeit Schließhub Tischdurchbiegung
3. Produktivitätsparameter Zykluszeit Hubzahl
4. handlingbezogene Parameter Übergabehöhe Zeitfenster Handling
Maximale Kraft zum Zuhalten des Werkzeugs; muss größer als die WerkzeugÖffnungskraft sein, sinnvoll ist eine synchrone Steuerung der Zuhaltekraft mit dem Werkzeug-Innendruck Maximale Kraft für Vorformoperationen Maximale Geschwindigkeit für das Schließen des Werkzeugs Maximale Geschwindigkeit für das Öffnen des Werkzeugs Maximaler Hub zum Öffnen/Schließen des Werkzeugs Maximal zulässiger Wert der Tischdurchbiegung unter Wirkung der Zuhaltekraft und des Werkzeug-Innendrucks
Zeit für einen kompletten Zyklus des Umformvorganges Maximale Anzahl der Hübe pro Zeiteinheit im Automatik-Betrieb
Höhe zum Einlegen bzw. Entnehmen des Werkstücks; wird wesentlich durch die Lage der Teilungsebene des Werkzeugs bestimmt Zulässiger Bereich innerhalb der Zykluszeit für Handling-Operationen
Die Parameterliste kann im konkreten Fall um weitere Parameter ergänzt werden. Erläuterungen zu den genannten Parametern enthalten die folgenden Abschnitte.
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten) Im Gegensatz zum hydromechanischen Umformen (hydromechanisches Tiefziehen), bei dem der Mediendruck und das Verdrängungsvolumen zur Umformung der Werkstücke aus dem Arbeitsweg des Pressenstößels abgeleitet werden, ist die Druckerzeugung beim hydrostatischen Umformen in externe Funktionsbaugruppen verlagert worden, so dass nur noch eine de-
210
5 Maschinen
finierte Schließhaltung der Werkzeuge durch eine Zuhalteeinrichtung zu gewährleisten ist. Diese Funktion wurde zunächst von kraftgebundenen Maschinen aus vorhandenen Beständen der konventionellen Blechumformung realisiert, da diese die Prozessanforderungen gut zu erfüllen schienen. Klassische kraftgebundene Pressen der Blechumformung sind jedoch auf die Umformprozesse Tiefziehen und Schneiden ausgelegt und optimiert. Die Prozessanforderungen der Hydro-Umformung verlangen aber von der Zuhalteeinrichtung verfahrensspezifische Eigenschaften, insbesondere kurze Nebenzeiten (Halbzeugzuführung, Teileentnahme) sowie eine verfahrensoptimierte Schließhaltung der Werkzeuge. 5.3.1 Funktionen Die Anforderungen an eine Zuhalteeinrichtung für die Hydro-Umformung leiten sich aus den Prozessbedingungen und den dafür vorgesehenen Werkzeugkonzepten ab. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die genaue Kenntnis der aus dem Umformprozess resultierenden Kräfte und deren Auswirkungen auf das IHU-Werkzeug sowie die Zuhalteeinrichtung. Abbildung 5.3. verdeutlicht in abstrahierter Form die Aktionskräfte aus den prozessinternen Drücken und daraus resultierenden Kraftwirkungen innerhalb des Werkzeugs. Fschließ
Stößel Föff
pi
Tisch
Abb. 5.3. Prozessbelastungen im Werkzeug in vertikaler Richtung
Der Werkzeug-Innendruck pi des Wirkmediums wirkt als Flächenlast auf die Wandungen des umzuformenden Werkstücks. Liegt das Werkstück an der Gravur an (insbesondere am Ende des Umformprozesses), so wird diese Flächenlast in die Gravur eingebracht und bewirkt dort zunächst
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
211
elastische Verformungen. Da das Werkzeug in der Teilungsebene geteilt ist, muss die Kraftwirkung auf die beiden Werkzeughälften separat betrachtet werden. Die Gesamtheit der am Oberwerkzeug angreifenden Druckkräfte bewirkt als resultierende Kraft ein Öffnen des Werkzeugs in der Teilungsebene. Diese Kraft heißt Werkzeug-Öffnungskraft Föff und ergibt sich aus dem Werkzeug-Innendruck und der projizierten Fläche:
Föff = pi ⋅ Aproj Aproj Föff pi
(5.1)
Projizierte Fläche Werkzeug-Öffnungskraft Werkzeug-Innendruck
Für komplexe 3D-Geometrien, bei denen auch die Teilungsebene räumlich angeordnet ist, bewirkt der Werkzeug-Innendruck nicht nur die Werkzeug-Öffnungskraft, es treten nun auch Querkraftkomponenten sowie Kippmomente in Folge asymmetrischer Gravur auf. Um ein Öffnen des Werkzeugs während der Umformung zu verhindern, muss die Zuhalteeinrichtung eine entsprechende Schließkraft Fschließ aufbringen. Die Schließkraft muss größer als die Werkzeug-Öffnungskraft sein. Dabei ist mit Hinweis auf Hauptabschn. 4.1.2 davon auszugehen, dass eine unangemessen hohe Schließkraft sowohl das Prozessergebnis als auch die Werkzeuglebensdauer negativ beeinflussen kann.
Fschließ ≥ Föff
(5.2)
Föff Werkzeug-Öffnungskraft Fschließ Schließkraft Bedingt durch die Schließkraft bildet sich in der Teilungsebene der beiden Werkzeughälften eine Flächenpressung aus. Unter der Wirkung des Werkzeug-Innendrucks verändert sich die Flächenpressung. Insbesondere bei stark asymmetrischer Bauteilgeometrie wird die Verteilung dieser Flächenpressung recht ungleichmäßig und kann teilweise den Wert Null erreichen. In diesem Fall öffnet das Werkzeug partiell. Dieser Zustand muss durch eine geeignete Wahl der Schließkraft ausgeschlossen werden. Bei der bisherigen Darstellung findet die zeitliche Variation des Kräftespiels im Prozessablauf keine hinreichende Berücksichtigung. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass die Zuhaltekraft in jeder Phase des Prozessverlaufs den spezifischen Anforderungen genügen muss. Ein in der Praxis oft genutzter Ansatz zur Steuerung der Schließkraft wird darin gesehen, diese proportional zum Werkzeug-Innendruck bzw. der Werkzeug-Öffnungskraft zu steuern. Dieses Anforderungsprofil soll durch die Darstellung in Abb. 5.4. verdeutlicht werden.
212
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gesteuertes Zuhalten Dekompression Öffnen
Kräfte
Schließen und Vorformen
Schließkraft
Werkzeug-Öffnungskraft (Werkzeug-Innendruck) Zeit Befüllen Umformen Kalibrieren Dekompression und Leeren
Abb. 5.4. Zeitlicher Verlauf Werkzeug-Öffnungskraft und Schließkraft
Die grundsätzlichen Funktionen einer Zuhalteeinrichtung für die HydroUmformung sind: − schnelles Öffnen und Schließen des Werkzeugs zum Beschicken/ Entnehmen der Umformteile (Freigängigkeit für Handling) − Durchführung evtl. erforderlicher Vorformoperationen während des Schließens des Werkzeugs − Aufbringen und Steuern der Schließkraft (Zuhalten der Werkzeughälften) gegen die Werkzeug-Öffnungskraft unter Beachtung der aus dem Prozess resultierenden Kraftkomponenten Neben diesen Hauptfunktionen wird die Zuhalteeinrichtung oft auch als Träger weiterer Funktionen genutzt, beispielsweise: − − − −
Steuern der Innendruckachse Bereitstellung der Medien und Steuern der Axialzylinder Realisieren einer Niederhalterfunktion Bereitstellung und Steuern der Medien für werkzeugnahe Funktionen (Lochen, Fügen)
Aus der Funktionalität der Zuhalteeinrichtung leiten sich spezifische Anforderungen an diese ab:
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
213
− hinreichende Dimensionierung der Werkzeugeinbauräume, insbesondere unter Beachtung erforderlicher Freiräume für die Integration von Axialzylindern und weiterer Nebenantriebe − Auslegung auf die erforderliche Schließkraft − Sicherung einer hohen Federsteife der im Kraftfluss liegenden Baugruppen zur Minimierung der elastischen Auffederung und Verformungsreaktionen von Stößel- und Tischplatte − Kompensation der verbleibenden elastischen Auffederungen des Gesamtsystems Werkzeug – Zuhalteeinrichtung 5.3.2 Aufbauprinzipien Ausgehend von Anforderungsprofil und Funktionalität existieren verschiedene Gestaltungsvarianten für Zuhalteeinrichtungen. Diese Konzepte müssen – im Zusammenwirken mit der Werkzeugauslegung – alle Grundanforderungen zur Erreichung der erforderlichen Teilequalität sichern. Auf der anderen Seite sind die Stückkosten hydroumgeformter Teile möglichst gering zu halten. Daraus folgt, kostengünstige Maschinenkonzepte zu wählen, um das Anlageninvestment niedrig zu halten. In diesem Zusammenhang sind auch die projektierte Nutzungsdauer der Anlagen und Standmengenbetrachtungen bzgl. der Werkzeuge von Bedeutung. Der derzeit noch sehr zeitintensive Fertigungszyklus beinhaltet aus heutiger Sicht das wesentliche Potenzial zur Senkung der Stückkosten. Der Schlüssel für die zeitliche Minimierung dieser Abläufe bei gleichzeitiger Sicherung erforderlicher Freiräume liegt in der Ausgestaltung der Zuhalteeinrichtung und wird durch deren Aufbauprinzip bestimmt. Der derzeitige Stand der Technik kann in Anlehnung an [127] durch die in Abb. 5.5. dargestellten Aufbauprinzipien charakterisiert werden. Danach unterscheidet man zunächst nach der Art der Zuhaltung des Werkzeugs in − kraftschlüssige Zuhaltung und − formschlüssige Zuhaltung mit Hilfe mechanischer Verriegelung.
214
5 Maschinen
Zuhalteeinrichtungen
formschlüssig (mechanische Verriegelung)
ohne Ausgleich
hydraulischer Ausgleich von oben
hydraulischer Ausgleich von unten
kraftschlüssig
Stößel
Tisch
Abb. 5.5. Aufbauprinzipien von Zuhalteeinrichtungen
Bei formschlüssiger Zuhaltung bewirkt der Werkzeug-Innendruck eine elastische Auffederung der im Kraftfluss liegenden Baugruppen, die zu einem Öffnen des Werkzeugs führen kann. Nach Art der Kompensation dieser Auffederung unterscheidet man verriegelte Zuhalteeinrichtungen in solche − ohne Kompensation, − mit hydraulischer Kompensation von oben wirkend und − mit hydraulischer Kompensation von unten wirkend. Aus Sicht der Produktivität gibt es darüber hinaus Gestaltungsvarianten von Zuhalteeinrichtungen wie: − Multiframe-Architektur − Doppelstößel Unter Anwendung dieser Grundprinzipien sind zahlreiche Lösungskonzepte bekannt, die in den nachfolgenden Ausführungen näher vorgestellt werden. 5.3.3 Kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Hydraulische Pressen Die ursprüngliche Variante für Zuhalteeinrichtungen sind hydraulische Pressen. Sie erlauben sowohl schnelle Schließ- und Öffnungsbewegungen
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
215
des Werkzeugs als auch das Aufbringen der notwendigen Schließkräfte für den Umformprozess. Hauptzylinder
Kopfstück
Seitenständer Stößel
pi
Werkzeug
Tisch
Abb. 5.6. Kraftfluss in einer hydraulischen Presse als Zuhalteeinrichtung
Die kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung (Abb. 5.6.) besteht aus den Baugruppen: − Tisch – ausgelegt auf die Baugröße der einzusetzenden Werkzeuge wird der Tisch als Gussteil oder Schweißkonstruktion gestaltet. Dabei soll die Tischdurchbiegung unter Wirkung der Schließkraft übliche Werte für hydraulische Pressen nicht überschreiten (ca. 0,15 mm/m bei Nennpresskraft), um Auswirkungen auf die Teilequalität in Grenzen zu halten. − Kopfstück – nimmt die Presskraft der Hauptzylinder der Zuhalteeinrichtung auf. Auf dem Kopfstück ist in vielen Fällen das Hydraulikaggregat zur Versorgung der einzelnen Antriebe der Zuhalteeinrichtung angeordnet (Ölbehälter, Pumpen, Steuerblöcke usw.).
216
5 Maschinen
− Hauptzylinder – realisieren die Bewegung des Stößels zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs, bei Bedarf den Kraftaufbau für Vorformprozesse. Sie bringen gesteuert die Schließkraft zum Zuhalten des Werkzeugs während des Hydro-Umformens auf. − Seitenständer – es werden meist mit Zugankern vorgespannte Seitenständer vorgesehen. Die Dehnung der Seitenständer kann von den Zylindern des Hauptantriebs kompensiert werden. − Stößel – ist oft nur als Schließplatte ausgeführt. Auf separate Stößelführungen wird oft verzichtet. Während der Schließbewegung wird der Stößel durch Führungsringe der Hauptzylinder geführt, im geschlossenen Zustand übernehmen die Werkzeugführungen diese Funktion. Die Durchbiegung des Stößels kann Auswirkungen auf die Teilequalität haben und sollte bei der Dimensionierung des Stößels beachtet werden. Der Kraftfluss sowohl während des Vorformprozesses als auch während der Hauptformgebung erfolgt über die Zylinder des Hauptantriebs. Auslegung und Gestaltung des Hauptantriebs müssen diesen Gegebenheiten Rechnung tragen. Die hydraulische Steuerkette einer kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung ist im Vergleich mit konventionellen hydraulischen Pressen stark abgerüstet, da ein kleinerer Funktionsumfang zu realisieren ist. Abbildung 5.7. zeigt die Grundstruktur dieser hydraulischen Steuerkette. Die einzelnen Funktionen der Zuhalteeinrichtung werden mit Hilfe folgender hydraulischer Komponenten realisiert: Werkzeug schließen Das Schließen des Werkzeugs erfolgt durch das Eigengewicht des Stößels mit Oberwerkzeug. Die Füllventile sind geöffnet, auf die Kolben kann Öl aus den Hochbehältern nachgesaugt werden. Die Schließgeschwindigkeit wird mit dem Proportionalventil „Bremsen“ eingestellt, das den ringseitig gegen den Tank abfließenden Volumenstrom steuert. Dieses Ventil ermöglicht durch Schließen der Ventilsteuerkanten den gleitenden Übergang aus der relativ schnellen Senkbewegung in die Arbeitsbewegung des Stößels. Vorformprozess Ist der Stößel auf die Arbeitsgeschwindigkeit abgebremst, werden die Füllventile geschlossen. Durch Ansteuern des Ventils „Kompression/Dekompression“ gelangt der Volumenstrom der Hauptpumpe auf die Kolbenseite der Hauptzylinder. Beim Aufsetzen auf das Werkstück baut sich eine Presskraft auf, die durch den Druckregler der Pumpe begrenzt werden kann.
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
217
Aufbau Schließkraft Ist das Werkzeug geschlossen, werden die Ringseiten der Hauptzylinder dekomprimiert. Der Druckregler der Hauptpumpe realisiert nun den gewünschten Schließkraftverlauf. Dekompression Am Ende des Umformprozesses wird synchron mit dem WerkzeugInnendruck die Einstellung des Druckreglers der Hauptpumpe reduziert und anschließend das Ventil „Kompression/Dekompression geschaltet. Dadurch baut sich der Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder bis zum drucklosen Zustand ab. Werkzeug öffnen Durch Ansteuerung des ringseitigen Proportionalventils wird der Förderstrom der Hauptpumpe auf die Ringseite der Hauptzylinder gegeben. Der Stößel fährt nach oben und verdrängt das Öl aus der Kolbenseite über die geöffneten Füllventile in die Hochbehälter. In der vereinfachten Steuerkette sind darüber hinaus Komponenten zur Absicherung gegen zu hohen Druck sowie die für Pressen gemäß Unfallverhütungsvorschriften notwendigen, redundanten Sicherheitsschaltungen gegen ungewolltes Absinken des Stößels abgebildet. Die Auslegung der hydraulischen Komponenten erfolgt auf der Basis der gewünschten Schließkraft der Zuhalteeinrichtung. Angebotene Größenordnungen der Schließkraft liegen im Bereich zwischen 4.000 kN und 100.000 kN, wobei die größeren Schließkräfte am Markt häufiger nachgefragt werden. Aus der gewünschten Schließkraft ergibt sich die notwendige Kolbenfläche der Hauptzylinder:
AK ges _ HZ = AK ges_HZ Fschließ max pK max_HZ
Fschließ max p K max_ HZ
(5.3)
Summarische Kolbenfläche der Hauptzylinder Maximale Schließkraft Maximaler Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder
Typische Werte für den maximal zulässigen Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder sind 250...300 bar. Für diesen Druck muss auch die Hauptpumpe ausgelegt sein. Ausgehend von dieser Auslegung ergeben sich relativ großflächige Zylinder, die einen erheblichen Volumenstrombedarf beim Schließen des Werkzeugs erfordern. Daraus erklärt sich die Schließbewegung über Füllventile.
218
5 Maschinen
Für die Auslegung der Ringseite des Hauptzylinders wird davon ausgegangen, dass beim maximal zulässigen Druck auf der Ringfläche der Stößel mit Werkzeug gehalten werden sowie zusätzlich eine ausreichende Kraft zum Lösen des Werkstücks beim Öffnen der Werkzeughälften vorhanden sein muss. Die notwendige Größe der Hauptpumpe ergibt sich hauptsächlich aus dem ringseitigen Volumenstrombedarf für die gewünschte Geschwindigkeit zum Öffnen des Werkzeugs:
QR ges _ HZ = vöffnen max ⋅ AR ges _ HZ AR ges_HZ QR ges_HZ vöffnen max
(5.4)
Summarische Ringfläche der Hauptzylinder Summarischer ringseitiger Volumenstrom der Hauptzylinder beim Werkzeugöffnen Maximale Werkzeugöffnungsgeschwindigkeit
Typische Werte für die Geschwindigkeit zum Öffnen des Werkzeugs liegen bei 250...500 mm/s, ähnliche Werte gelten auch für das Schließen des Werkzeugs. Da aufgrund der vergleichsweise großen Hauptzylinder für die Aufbringung der Schließkraft kolbenseitig ein großes Ölvolumen komprimiert werden muss, ist zu prüfen, ob die Druckaufbauzeit – bedingt durch den pumpenseitig begrenzten Volumenstrom – für den gewünschten Prozessverlauf ausreichend ist:
dpK QP max = dt βVK QP max VK ȕ
dp K dt
(5.5)
Maximaler Volumenstrom der Hauptpumpe Kolbenseitiges Volumen des Hauptzylinders bei geschlossenem Werkzeug Kompressibilität des Hydrauliköls (HLP 46 ca. 6 ⋅10 −10 1/Pa) Druckaufbau-Gradient, kolbenseitig
Bei Bedarf muss die Pumpengröße ausgehend von dieser Rechnung angepasst werden. Neben den spezialisierten hydraulischen Schließeinheiten können unter bestimmten Voraussetzungen auch konventionelle, möglicherweise bereits vorhandene hydraulische Pressen mit einem Nachrüstbausatz für den Einsatz als Hydro-Umformmaschine genutzt werden. Das Nachrüsten bezieht
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
219
sich hauptsächlich auf die Beistellung des Wasserkreislaufs für die Innendruckachse sowie die notwendigen Aggregate für die Axialzylinder. Absicherung Maximaldruck
Hochbehälter Steuerung Füllventile
Füllventile Hauptzylinder
P
A Kompression/ P Dekompression
T
T
Kopfstück
Stößel
Pressensicherheit ringseitig
Seitenständer
Pressensicherheit kolbenseitig
pi
Werkzeug
P
Absicherung Maximaldruck
Tisch T
A s U
P
T
Bremsventil
P
T
Pumpenabsicherung Hauptpumpe mit Druckregler
Abb. 5.7. Vereinfachte Steuerkette einer kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung
5.3.4 Formschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Verriegelter Stößel Während die Dimensionierung kraftschlüssiger Zuhalteeinrichtungen am Schließkraftbedarf orientiert ist und somit zu vergleichsweise groß dimensionierten hydraulischen Antrieben führt, verfolgen die formschlüssigen Zuhalteeinrichtungen einen anderen Weg zur Realisierung der Zuhaltefunktion.
220
5 Maschinen
Wenn man nach Schließen des Werkzeugs und Abschluss eventueller Vorformoperationen die beiden Werkzeughälften auf geeignete Weise mechanisch gegeneinander verriegelt, so wird der Kraftfluss während des Umformprozesses über die Verriegelung geschlossen (Abb. 5.8.). Schließzylinder
Kopfstück
Verriegelungsantrieb
Verriegelungsmechanismus Seitenständer Stößel
pi
Werkzeug
Druckkissen Tisch
Abb. 5.8. Kraftfluss in einer verriegelten Zuhalteeinrichtung
Die formschlüssige Zuhalteeinrichtung basiert auf ähnlichen Baugruppen wie die kraftschlüssige, jedoch mit konstruktiven Besonderheiten: − Tisch – ausgelegt auf die Baugröße der einzusetzenden Werkzeuge wird der Tisch als Gussteil oder Schweißkonstruktion gestaltet. − Kopfstück – nimmt die Presskraft der Schließzylinder der Zuhalteeinrichtung während des Vorformens sowie die Schließkraft während des Umformprozesses über den Verriegelungsmechanismus auf. Auf dem Kopfstück ist in vielen Fällen das Hydraulikaggregat zur Versorgung der einzelnen Antriebe der Zuhalteeinrichtung angeordnet (Ölbehälter, Pumpen, Steuerblöcke usw.).
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
221
− Schließzylinder – realisieren die Bewegung des Stößels zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs sowie bei Bedarf den Kraftaufbau für Vorformprozesse. Der Schließzylinder ist während des Hydro-Umformens inaktiv. − Seitenständer – es werden meist mit Zugankern vorgespannte Seitenständer vorgesehen. Die Dehnung der Seitenständer kann vom Druckkissen kompensiert werden. − Stößel – ist oft nur als Schließplatte ausgeführt. Auf separate Stößelführungen wird oft verzichtet. Während der Schließbewegung wird der Stößel durch Führungsringe der Hauptzylinder oder durch separate Säulenführungen geführt, im geschlossenen Zustand übernehmen die Werkzeugführungen diese Funktion. − Verriegelungsmechanismus – wird in der Schließposition des Werkzeugs zwischen Stößel und Kopfstück gefahren und übernimmt den Kraftfluss während des Umformprozesses. − Verriegelungsantrieb – steuert die Bewegung des Verriegelungsmechanismus (Verriegeln/Entriegeln). Dieser Antrieb wird wegen der notwendigen Kräfte für den Verriegelungsprozess meist hydraulisch ausgeführt. − Druckkissen – dient zum gesteuerten Aufbau der Schließkraft während des Umformprozesses sowie zum Ausgleich elastischer Verformungen der im Kraftfluss angeordneten Baugruppen. Für die mechanische Verriegelung des Stößels sind verschiedene konstruktive Prinzipien möglich und teilweise auch ausgeführt worden. Zwei wesentliche Prinzipien haben sich dabei in der Praxis als vorteilhaft erwiesen: − Blockverriegelung − Bajonettverriegelung Im Fall der Blockverriegelung werden massive metallische Blöcke zwischen Stößel und Kopfstück geschoben oder geschwenkt, sobald der Stößel seine Schließposition erreicht hat (Abb. 5.9.). Da die Abmessungen der Blöcke konstruktiv festgelegt sind, ist die Schließposition des Stößels und daraus folgend die Werkzeug-Einbauhöhe ein fester Parameter der Zuhalteeinrichtung. Eine derartige definierte Schließposition ist typisch für formschlüssige Zuhalteeinrichtungen und sollte bereits bei der Werkzeugentwicklung berücksichtigt werden. Zuhalteeinrichtungen mit Blockverriegelung wurden für ein breites Spektrum an Zuhaltekräften bis zu 100.000 kN konzipiert [6, 7, 8, 21, 40, 45, 137, 164].
222
5 Maschinen
Schließzylinder
Kopfstück
Verriegelungsantrieb
Block Seitenständer Stößel
pi
Werkzeug Druckkissen
Tisch
Abb. 5.9. Blockverriegelung
Die Technik der Bajonettverriegelung, die in ähnlicher Form sehr oft in Kunststoff-Spritzgießmaschinen für verriegelte Werkzeuge eingesetzt wird, basiert auf Säulenführungen für den Stößel, in die geeignete Formelemente ähnlich einer Verzahnung eingearbeitet sind (Abb. 5.10.). Befindet sich der Stößel in seiner Schließposition, wird das Gegenstück am Stößel durch Drehung oder translatorische Schließbewegung mit diesen Formelementen der Säulenführung in Eingriff gebracht. Der Kraftfluss wird nun im verriegelten Zustand über die Säulenführung geschlossen. Zuhalteeinrichtungen mit Bajonettverriegelung wurden für Zuhaltekräfte bis 50.000 kN realisiert [54, 71, 112].
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
223
Schließzylinder
Kopfstück
A
Bajonettverriegelung
A
Stößel Führungssäulen
pi
Werkzeug
Tisch
Schnitt A-A Verriegeln durch Drehung
Verriegeln durch Translation
offen
offen
verriegelt
verriegelt
Abb. 5.10. Bajonettverriegelung
Eine abgewandelte Form der Bajonettverriegelung zeigt Abb. 5.11. Nach Erreichen der Schließposition des Bajonettkörpers (Stößels) wird der Bajonettring um 10° gedreht, so dass nun der Kraftfluss in das Kopfstück über die Zähne des Bajonettringes geschlossen wird. Diese Ausführung der Verriegelung ist für Schließkräfte bis 60.000 kN realisiert worden [5].
224
5 Maschinen
Schließzylinder
Querhaupt
Kopfstück Bajonettring
A
A
Bajonettkörper Druckkissen
pi
Seitenständer Werkzeug
Tisch
Verriegeln durch 10°-Drehung des Bajonettringes Schnitt A-A
pi
verriegelte Stellung gezeichnet
Abb. 5.11. Abgewandelte Form der Bajonettverriegelung
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
225
Der Vorgang der Verriegelung erfolgt in allen beschriebenen Varianten in einem lastfreien Zustand. Es ist nicht üblich, mit dem Verriegelungsmechanismus gleichzeitig eine Vorspannung der Werkzeughälften zu erzeugen. Die Schließkraft muss deshalb mit einem weiteren Antrieb aufgebracht werden, der gleichzeitig die elastischen Verformungen der im Kraftfluss liegenden Bauteile teilweise kompensiert. In Abb. 5.9. wird diese Funktion als eine der Möglichkeiten durch flächig angeordnete Schließzylinder, die von unten zwischen Tisch und Unterwerkzeug wirken, realisiert. Diese Schließzylinder werden summarisch auf die Größe der maximalen Schließkraft ausgelegt, wobei sie jedoch nur kleine Hübe im Bereich der elastischen Verformung der im Kraftfluss liegenden Komponenten ausführen. Diese resultierende Verformung liegt je nach Baugröße und Ausführung der Zuhalteeinrichtung in einer Größenordnung bis ca. 5 mm. Die flächige Anordnung der Schließzylinder kann bei geeigneter Ansteuerung auch eine asymmetrische Schließkraftverteilung bewirken. Eine weitere Ausführungsform des Antriebs zur Erzeugung der Schließkraft ist ein im Stößel angeordnetes Druckkissen (Abb. 5.11.). Es wirkt zwischen Verriegelung/Stößel und Oberwerkzeug. Da das Druckkissen nur eine einzige, jedoch relativ große wirksame Fläche besitzt, können asymmetrische Werkzeug-Öffnungskräfte nicht kompensiert werden. Die auf solchen Maschinen eingesetzten Werkzeuge sollten einen mittigen Kraftschwerpunkt besitzen. Die hydraulische Steuerkette einer formschlüssigen Zuhalteeinrichtung ist in ihrem Grundaufbau in Abb. 5.12. dargestellt. Die einzelnen Funktionen der Zuhalteeinrichtung werden mit folgenden hydraulischen Komponenten realisiert: Werkzeug schließen Das Schließen des Werkzeugs erfolgt durch das Eigengewicht des Stößels mit Oberwerkzeug. Die Füllventile sind geöffnet, auf die Kolbenseite der Schließzylinder kann Öl aus den Hochbehältern nachgesaugt werden. Die Schließgeschwindigkeit wird mit dem Proportionalventil „Bremsen“ eingestellt, das den ringseitig in den Tank abfließenden Volumenstrom steuert. Dieses Ventil ermöglicht durch Schließen der Ventilsteuerkanten den gleitenden Übergang aus der relativ schnellen Senkbewegung in die Arbeitsbewegung des Stößels. Vorformprozess Ist der Stößel auf die Arbeitsgeschwindigkeit abgebremst, werden die Füllventile geschlossen. Durch Ansteuern des Ventils „Kompression/Dekompression“ gelangt der Volumenstrom der Hauptpumpe auf die Kolbenseite
226
5 Maschinen
der Schließzylinder. Beim Aufsetzen auf das Werkstück baut sich eine Presskraft auf, die durch den Druckregler der Pumpe begrenzt werden kann. Werkzeug verriegeln Hat der Stößel die festgelegte Schließposition erreicht (Werkzeug geschlossen), werden der Verriegelungsantrieb betätigt und die Verriegelungselemente (Blöcke, Bajonettverschlüsse) in die verriegelte Position bewegt. Nach Abschluß der Verriegelungsbewegung werden die Ring- und Kolbenseiten der Schließzylinder dekomprimiert. Aufbau Schließkraft Sind das Werkzeug verriegelt und die Schließzylinder dekomprimiert, wird das Druckkissen aktiviert. Der Druckregler der Druckkissen-Pumpe realisiert nun den gewünschten Schließkraftverlauf. Dekompression Am Ende des Umformprozesses werden synchron mit dem WerkzeugInnendruck die Einstellung des Druckreglers der Druckkissen-Pumpe reduziert und anschließend das Ventil „Kompression/Dekompression Druckkissen“ geschaltet. Dadurch baut sich der Druck im Druckkissen bis zum drucklosen Zustand ab. Werkzeug entriegeln Ist das Druckkissen dekomprimiert, werden der Verriegelungsantrieb erneut betätigt und die Verriegelungselemente (Blöcke, Bajonettverschlüsse) in die entriegelte Position bewegt. Werkzeug öffnen Nach Entriegelung des Werkzeugs wird durch Ansteuerung des ringseitigen Proportionalventils der Förderstrom der Hauptpumpe auf die Ringseite der Schließzylinder gegeben. Der Stößel fährt nach oben und verdrängt das Öl aus der Kolbenseite über die geöffneten Füllventile in den Hochbehälter. In der vereinfachten Steuerkette sind darüber hinaus Komponenten zur Absicherung gegen zu hohen Druck sowie die für Pressen gemäß Unfallverhütungsvorschriften notwendigen, redundanten Sicherheitsschaltungen gegen ungewolltes Absinken des Stößels angegeben.
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
227
Hochbehälter Steuerung Füllventile
Füllventile Schließzylinder Kopfstück
Verriegelungsantrieb Block Stößel pi
Absicherung Maximaldruck
Seitenständer Werkzeug
Kompression/ Dekompression
P
A
Druckkissen T
Tisch
P
Pressensicherheit kolbenseitig
Pressensicherheit ringseitig A s
P
B
A Bremsventil s
U
P
T
T
T
U
Absicherung Maximaldruck
P
T P
Hauptpumpe mit Druckregler
T
Pumpenabsicherung Kompression/ Dekompression Druckkissen
A s
U
P
T P
T
Pumpe Druckkissen mit Druckregler
Pumpenabsicherung
Abb. 5.12. Vereinfachte Steuerkette einer formschlüssigen Zuhalteeinrichtung
228
5 Maschinen
Der Hauptantrieb der Zuhalteeinrichtung (Schließzylinder) wird während des Umformprozesses nicht belastet, er dient nur zum Schließen/Öffnen des Werkzeugs bzw. für Vorformoperationen. Die Dimensionierung der Schließzylinder richtet sich nun nach dem Kraftbedarf dieser Vorformoperationen.
AK ges _ SZ = AK ges_SZ Fvorform max pK max_SZ
Fvorform max pK max_ SZ
(5.6)
Summarische Kolbenfläche der Schließzylinder Maximale Vorformkraft Maximaler Druck auf der Kolbenseite der Schließzylinder
Typische Werte für den maximal zulässigen Druck auf der Kolbenseite der Schließzylinder sind 250...300 bar. Auf diesen Druck muss auch die zugehörige Hauptpumpe ausgelegt sein. Gegenüber Gl. (5.3) ergibt sich hier wegen der Auslegung auf die Vorformkraft eine kleinere Kolbenfläche der Schließzylinder im Vergleich zu kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtungen. Dadurch reduziert sich bei gleichen Anforderungen an die Schließgeschwindigkeit der Volumenstrombedarf. Das hat kleinere Nenngrößen der Ventile, Steuerblöcke sowie Rohrleitungen zur Folge und erfordert kleinere Baugrößen der Pumpe. Für die Dimensionierung des Druckkissens gilt:
AK ges _ DK = AK ges_DK Fschließ max pK max_DK
Fschließ max pK max_ DK
(5.7)
Summarische Kolbenfläche des Druckkissens Maximale Schließkraft Maximaler Druck auf der Kolbenseite des Druckkissens
Zur Festlegung des maximal zulässigen Drucks auf der Kolbenseite des Druckkissens kann man 250...300 bar wählen (konventionelle Industriehydraulik), in einigen Fällen werden auch höhere Drücke bis 800 bar angesetzt (Notwendigkeit von Komponenten der Hochdruckhydraulik). Da das Druckkissen nur einen Hub in der Größenordnung der Elastizitäten der Maschine realisieren muss, ist das im Druckkissen eingeschlossene Ölvolumen relativ klein. Im Vergleich zu kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtungen kann der Schließkraftaufbau nach Gl. (5.5) hier zeitlich schneller erfolgen.
5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)
229
5.3.5 Mehrfach-Anordnungen Neben den Anforderungen an Zuhalteeinrichtungen, die direkt aus dem technologischen Prozess hervorgehen und die damit wesentliche Parameter der Umformmaschine definieren, legen die Betreiber zunehmendes Gewicht auf hohe Produktivität, große Flexibilität hinsichtlich des Teilespektrums sowie geringe Investitionsvolumina. Der Funktionsablauf von Maschinen der Hydro-Umformung setzt der Senkung der Zykluszeit deutliche Grenzen. So lassen sich die Nebenzeiten zum Schließen und Öffnen sowie Befüllen des Werkzeugs als auch die Zeit für den Hydro-Umformprozess mit Sicht auf die erforderlichen Kosten nicht beliebig senken. Typische Zykluszeiten von 30 Sekunden stehen so im Widerspruch zum gewünschten Teileausstoß je Zeiteinheit. Aus diesem Grund werden häufig mehrere Maschinen parallel betrieben, um auf diese extensive Weise die Produktionskennziffern zu erfüllen. Die Hersteller von Hydro-Umformmaschinen bieten zunehmend Konzepte an, die diese extensive Erweiterung bei Senkung der Anlagekosten ermöglichen. In Abb. 5.13. wird eine so genannte Double-Ram-Press dargestellt. Diese Zuhalteeinrichtung verfügt über zwei separate Stößel, jedoch jeweils nur eine Baugruppe zur Druckölversorgung der hydraulischen Antriebe sowie zur Erzeugung des Werkzeug-Innendrucks. Im Betrieb erfolgen das Öffnen und Schließen des Werkzeugs sowie der Prozess der Hauptformgebung im Wechsel zwischen den beiden Stößeln. Die Produktivität kann gegenüber einer einfachen Struktur um ca. 50% gesteigert werden, dabei steigen die Investitionskosten nur um ca. 20% an. Alternativ kann man die beiden Stößel koppeln, um so bei reduzierter Produktivität großformatige Werkzeuge einzusetzen [21]. Eine Weiterentwicklung dieses Konzepts führt zu so genannten MultiFrame-Architekturen (Abb. 5.14.). Durch eine klare Modularisierung der Umformmaschinen kann man seine konkrete Maschine durch Zusammenstellung so genannter Frames realisieren, die mit einer entsprechenden Konfiguration von Antriebs- und Innendruck-Modulen ausgerüstet sind. Eine solche Maschine kann sowohl durch separate Nutzung der einzelnen Frames für kleine Werkzeuge als auch im Verbund der Frames für großformatige Werkzeuge eingesetzt werden. Die Modularisierung führt wegen der Beschränkung auf wenige Standardbaugruppen zu einer Senkung der Investitionskosten für die einzelnen Frames, wobei gleichzeitig Flexibilität bzw. Produktivität der Anlage erhöht werden [7, 21].
230
5 Maschinen Hauptzylinder 2
Hauptzylinder 1
Kopfstück Stößel 2 Seitenständer Stößel 1 Öffnen Schließen Vorformen Füllen
Hydro-Umformung
Werkzeug 2
Werkzeug 1
Tisch
Abb. 5.13. Double-Ram-Press Hauptzylinder Kopfstück Seitenständer
Stößel
pi
Werkzeug Tisch
Abb. 5.14. Multi-Frame-Architektur (Betrieb im Verbund für großformatiges Werkzeug
5.4 Innendruckachse 5.4.1 Aufbau und Funktionen Das Umformen des im geschlossenen Werkzeug befindlichen Werkstücks wird durch die Innendruckachse realisiert. Für den Umformprozess wird
5.4 Innendruckachse
231
druckabhängig ein definiertes prozessgesteuertes Volumen des Wirkmediums in das Werkzeug eingebracht. Hierzu dient ein separater Hydraulikkreislauf, der aufgrund der speziellen Anforderungen vorzugsweise mit dem Betriebsmedium Wasser mit Zusätzen (HFA-Flüssigkeit [104]) arbeitet. Der Wasserkreislauf (s. Abb. 5.15.), besteht aus einer Anlage zur Aufbereitung des Wirkmediums, einem Vorfüllsystem sowie dem für die technologische Operation erforderlichen Druckstromerzeuger [181]. Druckü bersetzer
Werkzeug Axialzylinder pi p
U
M
Vorfü llsystem
M
Aufbereitung IHU Flü ssigkeit
Abb. 5.15. Vereinfachter Kreislauf zur Bereitstellung des Wirkmediums
Als Druckstromerzeuger werden, bedingt durch die hohen geforderten Drücke, meist Druckübersetzer eingesetzt. Mit dem Hydraulikkreislauf des Wirkmediums (Wasserkreislauf) werden nachfolgende Funktionen realisiert: − Befüllen des Werkzeugs bzw. des Druckübersetzers mit der erforderlichen Flüssigkeitsmenge − Ausführung der technologischen Operation des Innenhochdruck-Umformens (Formgebung und Kalibrieren)
232
5 Maschinen
− Dekomprimieren des unter hohem Druck eingespannten Flüssigkeitsvolumens nach dem technologischen Umformprozess − Rückförderung der Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in die Aufbereitungsstation der Flüssigkeit − Aufbereitung der Flüssigkeit (Filtration, Kühlung, Ölabscheidung) Befüllen Die Vorfüllpumpe speist über einen Druckfilter mit einer Filterfeinheit < 5 µm und ein Rückschlagventil direkt den Druckübersetzer sowie über das Andocksystem das Werkzeug. Durch die Steuerung des Druckübersetzers (Positionsregelung bzw. einfache Wegsteuerung) wird die Kammer auf der Sekundärseite mit Druckflüssigkeit gefüllt. Formgebung Nach dem Abdichten des Werkstücks durch die Axialzylinder wird der Druckübersetzer in Druckregelung betrieben. Dabei wird der Sollwert des Werkzeug-Innendrucks in Abhängigkeit unterschiedlicher Prozessparameter variiert. Innendruck, Nachschiebeweg bzw. Kraft der Axialzylinder werden in Abhängigkeit zueinander gesteuert. Das erforderliche Volumen zum Ausformen des Werkstücks muss kontinuierlich bereitgestellt werden. Da die maximale Füllmenge des Druckübersetzers begrenzt ist, werden häufig zwei parallel geschaltete Druckübersetzer eingesetzt (s. Abb. 5.16.). Dekompression Nach dem Ausformen des Werkstücks mit dem Kalibrierdruck muss das im Werkstück und im Druckübersetzer eingespannte Flüssigkeitsvolumen dekomprimiert werden. Dies könnte über eine schaltbare Drossel direkt auf der Hochdruckseite realisiert werden, wobei das eingespannte Volumen direkt über die Drossel zum Tank fließen würde. Wegen der hohen Drücke und der Eigenschaften (geringe Viskosität) der Flüssigkeit kann kein konventionelles Proportionalventil für die Dekompressionsfunktion genutzt werden. Eingesetzt werden kann ein Sitzventil mit integrierter oder externer Drossel. Durch das hohe Druckgefälle und die dadurch verursachten sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten würde die Drossel sehr schnell verschleißen. Deshalb wird das Dekomprimieren durch den Druckübersetzer realisiert. Der Druck im Druckübersetzer wird über eine Sollwertkurve geregelt heruntergefahren. Dabei vergrößert der Druckübersetzer durch Zurückfahren das Volumen auf der Sekundärseite (s. Abb. 5.17.).
5.4 Innendruckachse p
233
U
Hochdruck Füllsystem
Sekundä rseite
Primä rseite Regler s
s
U
U
Abb. 5.16. Einsatz von zwei parallel geschalteten Druckübersetzern Werkzeug Druckü bersetzer pi
Arbeitshub Dekompression p
U
Ventil Dekompression
Abb. 5.17. Dekompression des Werkzeugs
234
5 Maschinen
Rückförderung und Medienaufbereitung Nach dem Öffnen des Werkzeugs fließt das Druckmedium über eine Auffangvorrichtung zurück zum Behälter. Das Druckmedium ist infolge des offenen Kreislaufs (Werkzeug, Maschinentisch) stark verunreinigt und muss in der Aufbereitungsanlage von den Fremdstoffen gereinigt werden. 5.4.2 Druckerzeuger Als Druckerzeuger können je nach Anwendungsfall unterschiedliche Systeme eingesetzt werden. Eine besondere Anforderung resultiert aus dem Betrieb der Druckerzeuger mit Wasseremulsionen. Der Einsatz von Wasseremulsionen erfordert wegen der geringeren Viskosität gegenüber Mineralölen geringere Spaltmaße an sich bewegenden Teilen, was geringere Toleranzen und damit eine höhere Präzision bei der Fertigung voraussetzt. Zusätzlich bewirkt der Einsatz von Wasseremulsionen ein schlechteres Schmierverhalten als bei Nutzung von Mineralöl. Die Emulsionen und deren Additive erfordern häufig den Einsatz resistenter Werkstoffe für die Bauteile, insbesondere für die Dichtungen. Eingesetzt werden alle gängigen Funktionsprinzipien der Hydropumpen, die für den Einsatz von Wasseremulsionen modifiziert werden und dementsprechend veränderte Leistungsparameter aufweisen (Tabelle 5.2.). Tabelle 5.2. Druckbereiche unterschiedlicher Druckstromerzeuger Druckstromerzeuger Schraubenspindelpumpe Zahnradpumpe Radialkolbenpumpe Reihenkolbenpumpe Druckübersetzer
Maximaler Druck 100 bar 210 bar 630 bar 800 bar > 6.000 bar
Die meisten Anwendungen der Hydro-Umformung erfordern Arbeitsdrücke über 1.000 bar. Aus diesem Grund werden in der Praxis heute meist Druckübersetzer als Druckstromerzeuger eingesetzt. Dabei wird das aus dem Gesetz von Pascal (Blaise Pascal, 1623-1662) abgeleitete Prinzip der Druckübersetzung angewendet (Abb. 5.18., [69]). F1=F2
A1
p1
Primärseite
Abb. 5.18. Prinzip der Druckübersetzung
A2
p2
Sekundärseite
5.4 Innendruckachse
235
Existieren zwei getrennte Druckgefäße, die mit einem Kolben mit unterschiedlicher Kolbenfläche verbunden sind, so gilt für ein statisches Gleichgewicht der Kräfte am Kolben, dass sich die Kolbenflächen umgekehrt proportional zu den in den Gefäßen herrschenden Drücken verhalten.
F1 = p1 ⋅ A1 F2 = p 2 ⋅ A2
(5.8)
F1 = F2 p2 A1 = p1 A2 A1 A2 p1 p2
(5.9)
Primärfläche Sekundärfläche Primärdruck Sekundärdruck
Durch sehr große Flächenverhältnisse lassen sich damit hohe Sekundärdrücke erzeugen. Das Prinzip der Druckübersetzung ist im Druckübersetzer umgesetzt (s. Abb. 5.19.). Der Druckübersetzer hat im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. Dies ist zum einen die Umsetzung der Medientrennung (resultiert aus der Funktionsweise des Druckübersetzers) und zum anderen die Bereitstellung eines Druckstroms. Auf der Primärseite des Druckübersetzers wird mit Mineralöl und entsprechenden Komponenten der Standardhydraulik bis zu einem Druck von 315 bar gearbeitet. Die Sekundärseite ist im Wasserkreislauf eingebunden. Die Medientrennung erfolgt durch herstellerspezifische Dichtsysteme sowohl auf der Hochdruck- als auch auf der Niederdruckseite. Separate Leckleitungen führen anfallendes Lecköl nach außen. Die Steuerung des Druckübersetzers wird auf der Primärseite durch ein angebautes Regelventil realisiert, das als Stellelement in einem entsprechenden Regelkreis eingebunden ist. Die Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der einer hydraulischen Linearachse. Die Füllmenge des Druckübersetzers kann durch das integrierte Wegmesssystem erfasst werden. Druckübersetzer werden von unterschiedlichen Herstellern in verschiedenen Baugrößen und für verschiedene Druckstufen angeboten. Für die Dimensionierung des Druckübersetzers sind das Füllvolumen (Plungerdurchmesser auf der Sekundärseite und Hub) sowie der maximale Arbeitsdruck wesentlich.
236
5 Maschinen
Die konstruktive Ausführung des Hochdruckgefäßes ist von den maximalen Drücken abhängig. Bis ca. 2.000 bar wird mit einem einlagigen Druckgefäß gearbeitet. Ab 2.000 bar werden zweilagige Druckgefäße eingesetzt (Abb. 5.20.). Sekundä rseite
Primä rseite Ventilblock
Hochdruckraum Hochdruckverteiler
Hochdruckfüllventil Wegmesssystem
Leckleitung Hochdruck- bzw. Niederdruckdichtung
Niederdruckkolbenbzw. Ringraum
Abb. 5.19. Schematische Darstellung eines Druckübersetzers Ventilblock Hochdruckraum
Einlagiges Druckgefäß
Ventilblock Hochdruckraum
Wegmesssystem Niederdruckkolbenbzw. Ringraum
Zweilagiges Druckgefäß
Wegmesssystem Niederdruckkolbenbzw. Ringraum
Abb. 5.20. Unterschiedliche Ausführungsvarianten von Druckübersetzern
Die Anordnung der Druckübersetzer im System ist unterschiedlich. Druckübersetzer können direkt in die Achse eines Axialzylinders integriert (geringe Flexibilität) oder als eigenständige Baugruppe am Maschinengestell oder neben der Maschine aufgestellt werden. Die günstigste Anordnung des Druckübersetzers ist vertikal mit der Sekundärseite nach unten. Dies führt zu geringerem Verschleiß der Hochdruckdichtung, da sich bei Anlagenstillstand die Schmutzpartikel nicht auf der Hochdruckdichtung ablagern.
5.4 Innendruckachse
237
5.4.3 Füllsysteme Die Füllsysteme haben im Wesentlichen folgende Aufgaben: − Befüllen des in das Werkzeug eingelegten Werkstücks mit Wirkmedium − Befüllen des Druckübersetzers mit Wirkmedium − Aufweiten bzw. Umformen des Werkstücks mit dem Pumpendruck Je nach Anwendungsfall und Komplexität der Hydro-Umformmaschine werden unterschiedliche Kreisläufe bzw. Systeme eingesetzt. Man unterscheidet zwischen Vorfüllpumpenkreislauf (quick fill) und Füllpumpenkreislauf. Vorfüllsystem Ein separater Vorfüllpumpenkreislauf (Abb. 5.21.) wird dann eingesetzt, wenn die Zykluszeit maßgeblich durch das Befüllen des Werkstücks beeinflusst wird. Der Vorfüllpumpenkreislauf füllt direkt das in das Werkzeug eingelegte Werkstück. Das Füllen geschieht bereits während des Schließens des Werkzeugs sowie während des Andockens der Axialzylinder. Dadurch kann das Werkstück zu einem hohen Prozentsatz vorgefüllt werden. Die Vorfüllpumpe saugt die Flüssigkeit aus dem Tank an und fördert sie direkt in das Werkzeug. Eingesetzt werden hierfür Pumpen mit hohen Volumenströmen bei geringem Druck (z.B. Kreiselpumpen). Abgesichert wird das System mit einem Druckventil bis ca. 8 bar. Werkzeug Axialzylinder
Vorfü llsystem
M
Abb. 5.21. Vorfüllkreislauf
238
5 Maschinen
Füllsystem Das Befüllen des Druckübersetzers geschieht durch die Füllpumpe. Nach dem Anfahren der Axialzylinder auf die Füllposition fördert die Füllpumpe die Flüssigkeit über einen Feinstfilter und ein Rückschlagventil (Füllventil) in den Druckübersetzer und über den Druckverteiler durch das Andocksystem in das Werkzeug. Wird kein separates Vorfüllsystem eingesetzt, erfolgt das Befüllen des Werkstücks nur durch die Füllpumpe, was eine längere Zykluszeit nach sich zieht. Als Füllpumpen werden Pumpen mit hohen Volumenströmen eingesetzt. In Abb. 5.22. ist ein Füllsystem dargestellt, das neben der Aufgabe des Befüllens der Anlage zusätzlich Umformoperationen ausführen kann. Voraussetzung ist der Einsatz einer Pumpe, die in einem höheren Druckbereich arbeitet. Eingesetzt werden könnte z.B. eine Radialkolbenpumpe. Mit einer in die Schaltung integrierten elektrischen Druckregelung (Einstellung Fülldruck) kann ein Druckprofil steuerungsseitig vorgegeben werden. Der Druckübersetzer dient damit hauptsächlich zum Kalibrieren des Werkstücks. Druckü bersetzer
s
U
Werkzeug Axialzylinder pi
Feinfilter I
p
Einstellung Fülldruck
Fü llpumpe M
Abb. 5.22. Füllsystem zum Befüllen und Umformen des Werkstücks
5.4 Innendruckachse
239
Der Feinfilter ist infolge der kleinen Spaltmaße im Druckübersetzer erforderlich. Er schützt den Druckübersetzer vor starkem Verschleiß. Bei Einsatz einer Kolbenpumpe empfiehlt sich aus dem gleichen Grund der Einsatz eines Saugfilters im Sauganschluss der Pumpe. Ein Saugfilter ist aber durch die Gefahr von Kavitation besonders bei Einsatz einer HFAFlüssigkeit problematisch. Deshalb setzt man häufig eine separate Einspeisepumpe in den Sauganschluss der Füllpumpe (Abb. 5.23.). Füllpumpe
M
2 bar
Einspeisepumpe
M
Abb. 5.23. Füllkreislauf mit Einspeisepumpe
Als Einspeisepumpen werden Niederdruckpumpen mit hohen Fördermengen benötigt. Besonders geeignet sind hierfür Kreisel- bzw. Schraubenspindelpumpen, die deutlich geringer schmutzempfindlich sind als z.B. Kolbenpumpen. 5.4.4 Fluidaufbereitung Aufgrund der starken Belastung der Flüssigkeit (Druck, Verunreinigung usw.) sowie der hohen Anforderungen an deren Reinheit, bedingt durch die Komponenten in der Anlage, kommt der Fluidaufbereitung bzw. -pflege eine entscheidende Bedeutung zu. Folgende Aufgaben werden durch die Fluidaufbereitungsanlage (Abb. 5.24.) realisiert: − Bereitstellung der entsprechenden Flüssigkeitsmenge für den Prozess − Gewährleistung der erforderlichen Fluidreinheit durch Filtration der Feststoffpartikel − Abscheidung von Öl bzw. anderen Schmierstoffen − Gewährleistung des Temperaturarbeitsfensters der Flüssigkeit Die Flüssigkeit befindet sich in einem korossionsbeständigen Behälter, der i.d.R. über zwei separate Kammern verfügt. Der Behälter ist in einen Rein- und einen Schmutztank unterteilt. Seine Größe richtet sich nach den allgemeinen Ausführungsrichtlinien von Behältern, sie sollte das 5- bis 8fache des Volumenstroms der aus dem Behälter saugenden Pumpen
240
5 Maschinen
betragen. Dadurch wird eine entsprechend große Verweilzeit der Flüssigkeit im Behälter realisiert, die Luft- und Schmutzabscheidung begünstigt. Behältertypische Überwachungseinrichtungen wie Füllstandskontrolle beider Behältertanks sowie Temperaturüberwachung sind erforderlich. Das Temperaturfenster für die Flüssigkeit ist infolge der Spezifik von Wasseremulsionen stark eingeschränkt. Die Temperatur sollte 25 °C nicht überschreiten, da bei höheren Temperaturen mit starkem Mikrobenbefall zu rechnen ist.
Ölabscheider
Bandfilter Rücklauf
Temperaturkontrolle
Füllstandskontrolle Kühler
M Füllpumpen Filter M
Reintank
Schmutztank
Abb. 5.24. Schematische Darstellung der Fluidaufbereitungsanlage
Der Kühler kann direkt im Nebenstrom-Kühler-Filterkreislauf oder in einem separaten Kühlerkreislauf (Kältemaschine) eingebunden sein. Bei kalten Umgebungstemperaturen muss die Flüssigkeit über eine geeignete Heizung vorgewärmt werden. Die wichtigste Aufgabe der Fluidaufbereitungsanlage besteht in der Filtration von Feststoffen und im Abscheiden flüssiger Verunreinigungen aus dem Prozess. Die Filtration ist ein mehrstufiger Prozess. Nach dem Öffnen des Werkzeugs und der Entnahme des fertigen Werkstücks fließt die Flüssigkeit aus dem Werkzeug z.T. über den Tisch in Rückführungskanäle und wird zentral über einen im Rücklauf angeordneten Filter in den Schmutztank geleitet. Durch die hohe Verunreinigung ist ein Filter mit einer hohen Schmutzaufnahmekapazität erforderlich. Zielstellung ist, so viel wie möglich grobe Verunreinigungen vor dem Eintritt in den Behälter herauszufiltern. Durchgesetzt haben sich für diese Aufgabe Bandfilter. Zusätzlich wird der Behälter im Nebenstrom kontinuierlich über einen Druckfilter gereinigt. Dabei wird die Flüssigkeit aus dem Schmutztank angesaugt und über den Filter in den Reintank befördert. Der Flüssigkeits-
5.4 Innendruckachse
241
überschuss fließt über den Überlauf zurück in den Schmutztank. Der gesamte Tankinhalt der Flüssigkeit sollte fünf- bis sechsmal in der Stunde umgewälzt werden, wodurch ein entsprechendes Gleichgewicht hinsichtlich des Reinheitsgrades der Flüssigkeit erreicht werden kann. Der Schutz der Bauelemente (Druckübersetzer, Kolbenpumpen) erfolgt durch in der Druckleitung angeordnete Druckfilter. Verfahrensbedingt (Schmierung, Leckage im Ölkreislauf von im Werkzeug integrierten Zusatzfunktionen) wird in den Wasserkreislauf immer ein bestimmter Anteil an Öl eingetragen. Öle und Fette lagern sich auf der Emulsionsoberfläche ab, verhindern den Sauerstoffaustausch und stellen so einen idealen Nährboden für Bakterien und Pilze dar. Um eine hohe Standzeit der Emulsion zu gewährleisten, ist es erforderlich, diese Ölrückstände aus der Flüssigkeit zu eliminieren. Durch eine selbstansaugende Pumpe wird die Oberfläche der Wasseremulsion abgesaugt. Das WasserÖl-Gemisch wird durch einen Ölabscheider gefördert und die gereinigte Flüssigkeit der Emulsion wieder zugeführt. Das Öl wird in einen separaten Behälter abgeschieden. Die Stabilität der Eigenschaften des Wirkmediums ist nur bei Einhaltung der chemischen Zusammensetzung und der biologischen Stabilität realisierbar. Die Wasseremulsion wird hinsichtlich − der Konzentration des Wasserzusatzes [108], − des pH-Wertes [106] und − der Konzentration der Mikroorganismen in der Flüssigkeit überwacht. Die Kontrollintervalle liegen bei 1 bis 2 Kontrollen wöchentlich. Für die Durchführung der Kontrollen ist eine Entnahmestelle an der Wasserpumpe vorzusehen. Der Anteil des Zusatzes zum Wasser ist produktabhängig und liegt zwischen 3 und 5%. Durch den Konzentratzusatz werden die Korrosionseigenschaften und die Schmierfähigkeit verbessert. Konservierungsmittel (Mikrobizide) führen zu einer Begrenzung der Zahl von Bakterien und Schimmelpilzen. Der Konzentratzusatz führt zu einer Anhebung des pHWertes der Flüssigkeit auf 8...9. Ist der Anteil des Konzentrates zu gering, ist die entsprechende Menge Konzentrat beizumischen. Bei zu großer Konzentration wird eine entsprechende Menge Flüssigkeit abgelassen und durch reines Wasser ersetzt. Bei Neubefüllung der Anlage wird häufig ein spezielles Mischgerät eingesetzt. Ergibt die pH-Wert-Messung einen zu geringen pH-Wert bei unterer Grenze des Konzentratanteils, wird Konzentrat beigemischt. Ist die Konzentration an der Obergrenze, ist die Anzahl der Mikroorganismen zu hoch. Desinfektions- und Konservierungsmittel müssen zugeführt werden.
242
5 Maschinen
Flüssigkeiten mit einem hohen Wasseranteil unterliegen zwangsläufig einer Besiedlung mit Mikroorganismen. Es handelt sich dabei um eine Mischflora aus Bakterien und Pilzen. Aus technologischer und hygienischer Sicht ist der Befall der Flüssigkeit durch Mikroorganismen kritisch, da durch die mikrobiologischen Prozesse nachfolgende Auswirkungen auftreten können: − Die Eigenschaften der Emulsion können stark verändert werden, was zur Unbrauchbarkeit der Flüssigkeit führen kann („Umkippen“ der Flüssigkeit). − Stoffwechselprodukte führen zum Abfall des pH-Wertes und dadurch zu einer Verminderung der Korrosionsbeständigkeit bzw. können aus Nitrit Nitrat und dadurch Nitrosamin bilden. − Abgestorbene Biomasse führt zum Verklumpen der Flüssigkeit und damit zum Verstopfen der Filter. − Krankheitserreger können sich ausbilden. Die mikrobielle Belastung einer Flüssigkeit kann durch Keimindikatoren gemessen werden. Durch spezielle Teströhrchen wird die Zahl der Mikroben (Keimzahl) ermittelt und dadurch auf das Bakterienwachstum geschlossen. Die Probe hierzu wird aus dem Wasserbehälter entnommen, aus dem die Wasserpumpen saugen. Allgemeine Grenzwerte werden heute durch die Berufsgenossenschaft der metallverarbeitenden Industrie nicht vorgegeben. Die in den Bedienungsanleitungen der Hersteller aufgeführten Mess- und Auswertevorschriften zur Ermittlung des mikrobiellen Befalls sind allerdings genauestens einzuhalten. Mikroorganismen können durch unterschiedliche Wege in die Flüssigkeit gelangen. Um den Eintrag von Mikroorganismen zu minimieren, sollten deshalb folgende Verhaltensregeln im Umgang mit der Flüssigkeit beachtet werden: − Das Anmischwasser sollte Trinkwasserqualität besitzen. Wasser aus Vorratsbehältern sollte nicht benutzt werden. − Der gesamte Arbeitsbereich muss möglichst trocken gehalten werden. Eine hohe Luftfeuchte bedingt durch Nässestau (Gitterroste usw.) führt zu hohen Konzentrationen an Schimmel- bzw. Pilzsporen, die über die Luft die Flüssigkeit kontaminieren können. − In nicht bewegten Flüssigkeiten bilden sich sauerstoffarme Bereiche, die entsprechende Mikroorganismen anziehen. Die Flüssigkeit altert sehr schnell. Ein Umwälzen bzw. Durchlüften der Flüssigkeit ist erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Nebenstromfilteranlage zeitgesteuert eingeschaltet.
5.5 Axialachsen
243
Prinzipiell gilt für den Wasserkreislauf einer Hydro-Umformmaschine oberste Sauberkeit, wodurch die Standzeit der Flüssigkeit wesentlich erhöht werden kann.
5.5 Axialachsen 5.5.1 Aufbau und Funktionen Für die Hydro-Umformung rohrförmiger Werkstücke werden neben Zuhalteeinrichtung und Innendruckachse ein oder mehrere Axial- bzw. Radialachsen genutzt, die wesentlich das Ergebnis des Umformprozesses mitbestimmen. Die Axialachsen werden koaxial mit der Achse des Werkstückendes am Werkzeug angeordnet (Abb. 5.25.). Ähnliches gilt für Radialachsen, die koaxial zur Mittelachse des Nebenformelements angeordnet werden. Axial- bzw. Radialachsen realisieren folgende Grundfunktionen: − Abdichten der Werkstückenden gegen den Werkzeug-Innendruck − Erzeugung axialer Spannungen im Werkstück, Unterstützung des Werkstoffflusses gegen die Reibung im Werkzeug sowie Umformen in axialer Richtung durch Nachschieben von Werkstoff in die Gravur − Gegenhaltefunktion für gesteuerten Werkstofffluss in Nebenformelemente − Optional: Zufuhr des Wirkmediums aus der Innendruckachse in das Bauteil Die Axialachsen bestehen aus folgenden Komponenten (Abb. 5.26.): − dem Axialzylinder − dem Dichtstempel einschließlich Verlängerung, optional mit Hochdruckanschluss − den mechanischen Verbindungselementen (Zuganker, Konsolen) − dem hydraulischen Steuerblock zur Umsetzung der Bewegungsfunktionen − Wegsensoren und Drucksensoren für die Ist-Signale von Kraft- und Lageregelung
244
5 Maschinen Radialzylinder
Axialzylinder mit Medienzufuhr
Axialzylinder
pi
Werkzeugunterteil
Abb. 5.25. Werkzeugaufbau Drucksensoren p
Axialzylinder
U
Verbindungselemente
hydraulischer Steuerblock p
U
pi
s U
Wirkmedienzufuhr Wegsensor
Dichtstempel
Werkzeug
Abb. 5.26. Struktureller Aufbau
Axialzylinder Als Axialzylinder werden vorzugsweise doppeltwirkende Standardzylinder aus dem Sortiment der fluidtechnischen Zulieferfirmen verwendet, die über geeignete mechanische Verbindungselemente am Werkzeug befestigt werden. Alternativ können vom Maschinenhersteller auch Sonderzylinder bereitgestellt werden, die bereits konstruktiv an die Anforderungen eines Axialzylinders angepasst sind. Hinsichtlich der Dimensionierung dieser Zylinder geht man vom erforderlichen maximalen Kraftbedarf während der Umformung aus. Die Axialkraft setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen:
5.5 Axialachsen
Faxial = Fumform axial + Freib + pi ⋅ Astirn Astirn Faxial Freib Fumform axial pi
245
(5.10)
Stirnfläche des Dichtstempels Axialkraft Reibkraft zwischen Werkstück und Werkzeug Umformkraft in axialer Richtung Werkzeug-Innendruck
Hierbei sind für die Umformkraft und die Reibkraft nur die für den jeweiligen Axialzylinder relevanten Anteile zu berücksichtigen. Das Maximum der Axialkraft während des Umformvorganges dient als Basis zur Bestimmung der Zylindergröße, wobei die Besonderheit der hydraulischen Steuerkette und deren Steuerung bzw. Regelung bei der Auslegung zu berücksichtigen ist. Üblicherweise werden deshalb vom Maschinenhersteller nur wenige Zylindergrößen mit Spezifikation ausgewiesen und zur Nutzung am Werkzeug empfohlen. Dichtstempel Der Dichtstempel ist unmittelbar an der Kolbenstange des Axialzylinders befestigt und übernimmt die Funktion der Abdichtung der Werkstückenden gegen den Werkzeug-Innendruck. Die Konstruktion des Dichtstempels ist dabei stark von der Geometrie des Werkstücks und dem Charakter des Werkzeugs abhängig. Nähere Informationen hierzu sind in Abschn. 4.1.1.6 zu finden. Für die Zufuhr des Wirkmediums in das Werkstück ist mindestens einer der Dichtstempel mit einer axialen Bohrung versehen. Vom Druckübersetzer bzw. von der Füllpumpe kann das Wirkmedium über den Hochdruckanschluss am Dichtstempel und dessen axialer Bohrung in das Werkzeug fließen. Mechanische Verbindungselemente Wegen der werkzeugspezifischen Art der mechanischen Ankopplung der Axialzylinder sowie der Gestaltung des Dichtstempels sind Axialachsen aus konstruktiver Sicht Bestandteil des Werkzeugs und verbleiben meist auch bei Werkzeugwechsel am Werkzeug. Aus Sicht der Antriebsstruktur sind sie jedoch eine Komponente der hydraulischen Steuerkette der Maschine, die für die Realisierung der Funktion der Axialachsen zuständig ist. Das ist eine Besonderheit der Axialachsen, aus der sich die Einhaltung bestimmter Restriktionen beim Design und Betrieb der Werkzeuge ergibt.
246
5 Maschinen
Für die mechanische Ankopplung der Axialzylinder an das Werkzeug gibt es bevorzugte konstruktive Lösungen: − Zuganker-Bauweise − Konsolen-Bauweise − sonstige Befestigungsarten und Kombinationen Axialzylinder in Zuganker-Bauweise werden über zwei massive Zuganker direkt am Werkzeug befestigt. Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig kurzer und direkter Schluss des Kraftflusses zwischen Axialzylinder und Werkzeug. Hierbei sind die geometrischen Fehler zwischen der Achse des Axialzylinders und der Achse des Werkstückendes in engen Toleranzen realisierbar. Diese Bauweise ist kompakt und Platz sparend, erfordert jedoch einen hohen Bearbeitungsaufwand für die Befestigungselemente der Zuganker im Werkzeug. Zwei realisierte Ausführungsformen sind in Abb. 5.27. dargestellt. Bei der Konsolen-Bauweise (s. Abb. 5.28.) wird der Axialzylinder in eine Konsole eingesetzt, die entweder direkt am Werkzeug oder auf der Werkzeug-Aufspannplatte des Ober- bzw. Unterwerkzeugs befestigt oder neben dem Werkzeug auf dem Maschinentisch angeordnet ist. Die Konsole realisiert über formschlüssige Elemente den Kraftfluss mit dem Werkzeug. Diese Bauweise erfordert einen größeren Platzbedarf, ist in der räumlichen Anordnung der Axialzylinder eingeschränkt flexibel und ist bezüglich des Kraftflusses und der dabei auftretenden Verformungen weniger günstig als die Zuganker-Bauweise. Hinsichtlich des Bearbeitungsaufwandes speziell am Werkzeug bietet diese Bauweise jedoch Vorteile. Alternativ kommen auch andere Befestigungsarten der Axialzylinder zum Einsatz, wie beispielsweise die Fußpunktbefestigung der Zylinder am Maschinentisch. Hier ist jedoch ein erheblicher Aufwand beim Ausrichten des Axialzylinders zum Werkzeug erforderlich.
5.5 Axialachsen Variante 1
Variante 2
Axialzylinder
Axialzylinder
A
A U
s
pi
Wirkmedienzufuhr
A
A U
s
pi
Wirkmedienzufuhr
Dichtstempel
Dichtstempel Schnitt A-A
Schnitt A-A Konsole
U
247
Zuganker
Distanzstück
pi
s
Werkzeug
U
pi
s
Werkzeug
Abb. 5.27. Zuganker-Bauweise Oberwerkzeug
Konsole A
A U
s
pi
Unterwerkzeug Schnitt A-A
Dichtstempel Axialzylinder
U
s
Wirkmedienzufuhr
Abb. 5.28. Konsolen-Bauweise
Zuganker
pi
248
5 Maschinen
5.5.2 Hydraulische Steuerkette Die Axialachsen durchlaufen während des Maschinenzyklus folgende Zustände: 1. Warten in Ausgangsstellung 2. Anfahren Füllposition 3. Anfahren an Werkstückende und Aufbau Dichtkraft 4. a) Halten Dichtkraft bei steigendem Werkzeug-Innendruck b) aktives Nachschieben von Material 5. Dekompression 6. Rückzug in Ausgangsstellung Die Axialachsen erfüllen also im Maschinenzyklus sowohl Aufgaben der Positionierung, das Abfahren einer vorgegebenen Wegfunktion als auch die Kraftregelung bzw. das Abfahren eines vorgegebenen Kraftprofils. Dementsprechend sind sowohl die hydraulische Steuerkette als auch die zugehörige Steuerung für folgende Aufgaben ausgelegt: − Wegsteuerung − Kraftsteuerung − Übergang zwischen diesen beiden Betriebsarten Die hydraulische Steuerkette ist für derartige Aufgaben als kombinierte Druck-Volumenstromsteuerung oder -regelung ausgeführt (auch als p/QSteuerung bezeichnet). Hierfür existieren verschiedene Lösungsvarianten. Für Axialachsen kommen folgende Varianten bevorzugt zum Einsatz: − jeweils ein Proportional-Druckbegrenzungsventil für die Druckfunktion parallel zu einem Proportional-Wegeventil für die Wegfunktion − alternativ ein Proportional-Druckbegrenzungsventil für die Druckfunktion parallel zu einer Verstellpumpe mit Förderstromverstellung oder -regelung für die Wegfunktion − ein Regelventil oder Proportional-Wegeventil im Regelkreis mit ablösender Regelung Der Einsatz von zwei getrennten Stellgliedern für die kombinierte Kraftund Wegsteuerung ist ein in der Vergangenheit oft genutztes hydraulisches Antriebskonzept (Abb. 5.29.). Es bietet den Vorteil, beide Funktionen getrennt voneinander einzustellen, wobei der Übergang zwischen den Betriebsarten abhängig vom Lastfall selbsttätig erfolgt. Für die Kraft- und Wegsteuerung ist dabei mit dem Einsatz von Proportionalventilen ein rein gesteuerter Betrieb ohne Rückführung der Istgrößen realisierbar. Die Sensoren dienen zur Prozessdatenerfassung und für die Ablaufsteuerung. Nachteilig ist beim gesteuerten Betrieb die geringere Güte der Stellgrößen
5.5 Axialachsen
249
sowohl aus dynamischer Sicht (Überschwinger) als auch aus statischer Sicht (Hysterese, Umkehrspanne, Ansprechempfindlichkeit). Axialzylinder 180/120-110
U
pi
s
Wirkmedienzufuhr
Werkzeugunterteil
p
U
p
A
ProportionalDruckbegrenzungsventil NG10 (Axialkraft) P
T
U
B
Proportional-Wegeventil NG16 (Richtung, Geschwindigkeit, Position)
s U
P
T
P
T
Pumpe Axialachsen
Pumpenabsicherung
Abb. 5.29. Axialzylinder mit zwei Stellgliedern
Moderne Anlagen verfügen über Axialachsen mit nur einem Stellglied – einem Stetig-Wegeventil mit Nullschnitt-Kolben. Hierfür eignen sich Proportional-Wegeventile, Regelventile oder Servoventile geeigneter Nenngröße. Die Auswahl richtet sich nach den geforderten dynamischen Eigenschaften, wobei meist die kostengünstigeren Proportional-Wegeventile zum Einsatz kommen. Kennzeichnend für diese Konfiguration (Abb. 5.30.) ist ein Betrieb der Axialachsen im Regelkreis. Hierzu verfügen die Axialzylinder über Wegund Kraftsensoren. Die Signale werden dem Regler, der als Software in einer geeigneten Steuerung implementiert ist, zugeführt. Dieser Regler berechnet die erforderlichen Stellsignale an das Stellglied als Lage- oder
250
5 Maschinen
Kraftregler und übernimmt das Management des Überganges von einer Regelart auf die andere und zurück. Der Vorteil dieses Konzepts liegt in der hohen Güte der Reproduktion der programmierten Bewegungsabläufe. Axialzylinder 180/120-110
pi
s U
Wirkmedienzufuhr
Werkzeugunterteil
p
Achscontroller oder Regel-PC Sollwerte
U
p
A
B
P
T
s U
U
Proportional-Wegeventil NG16 (Richtung, Geschwindigkeit, Position, Kraft)
P
T
Pumpe Axialachsen Pumpenabsicherung
Abb. 5.30. Axialzylinder mit einem Stellglied
Als Besonderheit der hydraulischen Steuerkette der Axialachsen ist der Umstand zu beachten, dass die Axialzylinder meist Bestandteile des Werkzeugs sind, die Stellventile sowie die zugehörigen Steuer- und Regelkomponenten sind jedoch als Bestandteile der Maschine zugeordnet. Die Verbindung zwischen Axialachse und Stellventil erfolgt deshalb über flexible, lösbare Verbindungen, i.d.R. Schlauchleitungen mit Schnellverschlusskupplungen. Eine derartige Konfiguration führt zu Restriktionen im praktischen Einsatz: − Design und Dimensionierung der Axialzylinder müssen engen Vorgaben des Maschinenherstellers genügen. Nur unter dieser Voraussetzung können die Herstellerangaben zu Parametern der Axialachsen wie maximale Kraft, Verfahrgeschwindigkeit usw. eingehalten werden.
5.6 Niederhalter
251
− Die Reglereinstellungen moderner Axialachsen in der Maschinensteuerung und daraus folgend die erreichbaren Gütewerte werden wesentlich durch die Größe der Axialzylinder mitbestimmt. Auch aus diesem Grund ist die Einhaltung der Herstellervorgaben erforderlich. − Bedingt durch die Schlauchverbindung zwischen Axialzylinder und Stellventil können die theoretisch möglichen Kreisverstärkungen der Achsen nicht erreicht werden. Diese reduzierte Dynamik ist bei der Vorgabe von Sollverläufen für Kraft und Geschwindigkeit zu beachten. Axialzylinder mit direkt angeflanschten Stellventilen und integriertem Achscontroller als alternative Konfiguration könnten diese Restriktionen aufheben, kommen jedoch aus Kostengründen bisher nicht zum Einsatz.
5.6 Niederhalter Für die Hydro-Umformung von Blechteilen ist, ähnlich wie beim Tiefziehen, eine Beeinflussung des Blecheinzugs notwendig. Hierfür wird die Platine zwischen Niederhalter und Ziehring definiert eingespannt. Die Einspannung hat so zu erfolgen, dass sowohl Faltenbildung als auch Reißen des Bleches beim Einzug vermieden werden. Zur Realisierung dieser Funktion in Maschinen zur Hydro-Umformung werden zwei Ansätze genutzt: − Doppeltwirkende Zuhalteeinrichtung mit Blechhalterstößel − Einfachwirkende Zuhalteeinrichtung mit Ziehkissen Eine doppeltwirkende Zuhalteeinrichtung besitzt zwei Stößel, wobei der erste Stößel die klassische Funktion des Zuhaltens übernimmt, während der Blechhalterstößel definierte Einspannverhältnisse der Platine zwischen Niederhalter und Ziehring realisiert. In der technischen Umsetzung sind sowohl kraftschlüssige als auch formschlüssige Zuhalteeinrichtungen für den Einsatzfall Hydro-Blechumformung modifizierbar. Die Variante der kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung entspricht in ihrem Aufbau einer doppeltwirkenden hydraulischen Presse. Für diese Bauart gilt sinngemäß das bereits in Hauptabschn. 5.3.3 über kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen/hydraulische Pressen Gesagte hinsichtlich einer relativen Überdimensionierung der hydraulischen Antriebe für den Einsatzfall der Hydro-Umformung. Abbildung 5.31. zeigt den Aufbau einer doppeltwirkenden kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung für die Hydro-Umformung von Blechteilen.
252
5 Maschinen
Günstiger in der Dimensionierung der Antriebe sind formschlüssige Zuhalteeinrichtungen. Eine doppeltwirkende formschlüssige Zuhalteeinrichtung ist schematisch in Abb. 5.32. dargestellt [138]. Doppeltwirkende Zuhalteeinrichtungen können i.d.R. sowohl für die Hydro-Umformung von Rohren (IHU) als auch von Blechen eingesetzt werden, wobei letztere Applikation je nach Gestaltung des Werkzeugs sowie der Innendruckachse sowohl den Prozess des hydromechanischen Tiefziehens als auch des Außenhochdruck-Umformens (AHU) realisieren kann. Schließzylinder Blechhalterzylinder
Kopfstück
Stößel
Blechhalterstößel Werkzeug Blechhalter
pi
Seitenständer Wasserkasten
Tisch
Abb. 5.31. Doppeltwirkende kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung
5.6 Niederhalter
253
Schließzylinder
Stößelriegel
Kopfstück Verriegelungsantrieb
Blechhalterriegel Blechhalterzylinder
Seitenständer Blechhalterstößel
Stößel Blechhalter Werkzeug pi
Wasserkasten Druckkissen
Tisch
Abb. 5.32. Doppeltwirkende formschlüssige Zuhalteeinrichtung
Die einfachwirkende Zuhalteeinrichtung wird zur Erzeugung definierter Einspannverhältnisse der Platine zwischen Niederhalter und Ziehring mit einem Ziehkissen ausgerüstet. Dessen Aufbau und Funktion ist klassischen Zieheinrichtungen an Tiefziehpressen ähnlich, jedoch geschieht der Kraftaufbau i.d.R. nicht durch Verdrängen der Kissenzylinder, sondern mit aktivem Kraftaufbau. Eine kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung mit Mehrpunkt-Ziehkissen ist in Abb. 5.33. dargestellt. Solche Mehrpunkt-Ziehkissen erlauben eine gezielte, örtlich begrenzte Einleitung unterschiedlicher Pinolenkräfte über dem Niederhalterumfang. Dadurch können die Einzugsverhältnisse örtlich an die Gegebenheiten des Werkstücks angepasst werden.
254
5 Maschinen
Schließzylinder
Kopfstück
Stößel
Werkzeug
Niederhalter
pi
Seitenständer
Schiebetisch
Kissenzylinder
Tisch
Abb. 5.33. Einfachwirkende Zuhalteeinrichtung mit Mehrpunkt-Ziehkissen
Neben der Funktion der Steuerung des Blecheinzugs muss der Niederhalter für die Hydro-Umformung die Dichtheit des Werkzeugs gewährleisten. Beide Funktionen stehen konträr zueinander: Mit wachsender Pinolenkraft ist zwar die Dichtheit des Werkzeugs besser zu gewährleisten, es verschlechtern sich aber die Bedingungen für den Blecheinzug. Daraus ergibt sich ein relativ kleiner Einstellbereich für die Pinolenkräfte, um Gutteile zu erzeugen. Generell wird man in der Phase des Ziehvorganges mit einer gewissen Leckage des Werkzeugs rechnen müssen, die beispielsweise aus der durch die Materialaufdickung beim Blecheinzug bedingten Spalthöhe resultiert [10]. In der Praxis verhindert man Leckage oft mit elastischen Dichtelementen oder Folien, die jedoch einem starken Verschleiß unterliegen.
5.7.1 Funktionen
255
5.7 Maschinensteuerung 5.7.1 Funktionen Unter Steuerung nach DIN 19226 [105] versteht man im engeren Sinne einen Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen (Eingangsgrößen) andere Größen (Ausgangsgrößen) aufgrund der dem System eigenen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Steuerung oft für die Gesamtheit an Hardware und Software zur Realisierung der Funktion der Maschine verwendet. Die Steuerung für Maschinen der Hydro-Umformung ist in Aufbau und Funktion eng verwandt mit typischen Pressensteuerungen, insbesondere Steuerungen für hydraulische Pressen. Andererseits ergeben sich aus der Spezifik des Hydro-Umformprozesses und der daran beteiligten Komponenten und Baugruppen besondere steuerungstechnische Anforderungen, die sich im Design der Steuerung widerspiegeln. Grundlegende Funktionen, die durch die Steuerung einer HydroUmformmaschine realisiert werden, sind: − − − − −
Ablaufsteuerung Sicherheitssteuerung Regelungen Visualisierung/Bedienung Kommunikation mit übergeordneter Anlagensteuerung (speziell Werkstück-Handling)
Aufgabe der Ablaufsteuerung ist die Realisierung der meist zyklischen Bewegungsfunktionen der einzelnen Baugruppen der Maschine sowie aller zugehörigen Hilfsfunktionen. Die Umsetzung erfolgt schrittweise mit zeitoder prozessabhängigen Weiterschaltbedingungen. Hierzu werden die Informationen der Sensoren und Initiatoren über den Zustand der einzelnen Baugruppen und Komponenten eingelesen und logisch verknüpft. Je nach Zustand innerhalb des Ablaufs werden die jeweiligen Stellsignale an die Stellglieder (Magnete, Motoren usw.) sowie die anderen Steuerungskomponenten ausgegeben. Hydro-Umformmaschinen können, wie auch herkömmliche Umformmaschinen, Gefahr bringende Bewegungen ausführen und unterliegen damit harten sicherheitstechnischen Anforderungen [4, 88, 89]. Zur Gewährleistung der personellen Sicherheit wird u.a. eine redundante Ausführung bestimmter Stellglieder und Aktoren gefordert.
256
5 Maschinen
Diese Redundanz findet sich auch in der Sicherheitssteuerung wieder. Aufgabe der Sicherheitssteuerung ist die Erfassung und Verarbeitung sicherheitsrelevanter Informationen von Bedienelementen wie ZweihandBedienung, Schutzgitter, Ventilüberwachung und anderen sowie die Generierung entsprechender Signale für sicherheitsrelevante Stellglieder wie Sicherheitsventile. Zudem werden Zustandsinformationen im Sinne von Freigaben an die anderen beteiligten Steuerungsbaugruppen übermittelt. Neben den klassischen Aufgaben einer Ablaufsteuerung sind in HydroUmformmaschinen mehrere geregelte Bewegungsfunktionen zu realisieren. Diese Regelungen beziehen sich insbesondere auf die Innendruckachse und die Axialachsen. Regeln ist nach DIN 19226 [105] ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und, abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs, im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt. Typische Regelungsaufgaben an Hydro-Umformmaschinen sind Druckregelungen, Kraftregelungen und Lageregelungen. Oft sind Kombinationen im Sinne ablösender Regelungen erforderlich. Wegen der spezifischen Forderungen an Regelungskomponenten werden diese Aufgaben oft mit dafür spezialisierten Baugruppen umgesetzt. Die Kommunikation mit dem Maschinenbediener (Mensch-MaschineInterface) erfolgt mit Hilfe des Visualisierungs- und Bediensystems. Der Bediener kann mit Parametern und Sollwerten die Maschine an den Fertigungsprozess anpassen, wobei Datenbanken mit gespeicherten Werkzeugparametern diese Tätigkeit unterstützen. Er kann manuelle Funktionen auslösen (Anwahl von Betriebsarten, Ein/Ausschalten von Baugruppen, manuelles Bewegen). Er erhält Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine oder des Prozesses und kann mit Diagnosefunktionen Fehler im System erkennen und teilweise lokalisieren. Für diese Aufgaben kommen zunehmend multimediale Techniken zum Einsatz. In vielen Fällen arbeitet die Hydro-Umformmaschine im verketteten Betrieb mit anderen Fertigungseinrichtungen und Handlingsystemen. Hierbei müssen zwischen den beteiligten Einrichtungen Informationen zur Synchronisation der Abläufe ausgetauscht werden. Üblicherweise erfolgt dieser Informationsaustausch durch Kommunikation mit einer übergeordneten Anlagensteuerung. Zunehmend kommen hier aber auch dezentrale Strukturen zum Einsatz, bei denen die Informationen direkt an die zuständige Einrichtung übertragen werden. Darüber hinaus kann dieser Kommunikationskanal, der meist über Ethernet-Architekturen realisiert ist, für eine Ferndiagnose oder Fernwartung der Maschine genutzt werden.
5.7.2 Steuerungsarchitektur
257
5.7.2 Steuerungsarchitektur Die Steuerungsarchitektur für Maschinen zur Hydro-Umformung ist ursprünglich wegen deren konzeptioneller Nähe zu hydraulischen Pressen von deren Pressensteuerung abgeleitet. Mit fortschreitender Qualifizierung der Maschinen ergaben sich jedoch ganz spezifische Anforderungen, die sich auch in der Steuerungsarchitektur wiederfinden. Insbesondere betrifft dies die Bedienung der Innendruckachse sowie der Axialachsen, für die besondere Anforderungen bestehen. In der Steuerungsarchitektur einer Hydro-Umformmaschine spiegelt sich auch die Evolution steuerungstechnischer Lösungen der letzten Jahre wider. Folgende grundlegende Hardware-Konzepte für Steuerungen von Hydro-Umformmaschinen sind zu nennen: − Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) − SPS und spezielle mehrachsige Achscontroller − Industrie-PC mit Soft-SPS und zusätzlichen, kundenspezifischen Regeltasks − Offene NC-Steuerung − Motion-Control-Steuerungen (Beckhoff, Simotion etc.) Die genannten Hardware-Konzepte enthalten in weitgehend ähnlicher Art die weiteren Steuerungskomponenten Sicherheitssteuerung, Bedieneinheiten und Visualisierungseinheit. Sie sind üblicherweise in einen Schaltschrank gemeinsam mit den Komponenten der konventionellen Elektrik (Einspeisung, Leistungsschaltanlage, Niederspannungs-Stromversorgung, Niederspannungsschaltanlage, Sicherheitsschaltungen usw.) integriert. Das Konzept auf Basis einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) (Abb. 5.34.) ist gekennzeichnet durch relativ geringen HardwareAufwand. Bedingt durch die Zykluszeit der SPS lassen sich jedoch nur begrenzt, vielfach gar keine Aufgaben der Achsregelung realisieren. Aus diesem Grund wird dieses Konzept nur für rein gesteuerte Achsen auf Basis von Proportional-Wegeventilen sowie Proportional-Druckventilen eingesetzt. Die Rückwirkungen des Umformprozesses auf Kräfte oder Bewegungen der beteiligten Achsen sind so nicht erkennbar und damit auch nicht kompensierbar.
258
5 Maschinen
Maschinensteuertafel
... Ethernet-TCP oder RS485
Visualisierung
Profibus
Profibus
Profibus
Pilz SPS Profibus
pi
Sicherheitssteuerung
SPS S7-400 Ethernet Profibus
Hubsteuerung
Abb. 5.34. Steuerungsarchitektur auf Basis SPS
Aus diesem Grund werden heute bevorzugt lage- und kraftgeregelte hydraulische Achsen eingesetzt, für deren Steuerung und Regelung das Konzept auf Basis einer SPS um eine geeignete mehrachsige ReglerBaugruppe ergänzt werden musste (Abb. 5.35.). Diese Reglerbaugruppe basiert meist auf einem Industrie-PC mit geeignetem Echtzeit-Betriebssystem (Regel-PC). Die Regeltasks für die einzelnen Achsen sind oft in der Programmiersprache C erstellt. Hier liegt auch die Problematik dieser Lösung, da die Erstellung und Pflege der Software des Industrie-PC in den Händen des Maschinenherstellers liegt. Das bindet erhebliche personelle und finanzielle Ressourcen. Maschinensteuertafel
... Ethernet-TCP oder RS485
Industrie-PC Profibus
Profibus
Profibus
Pilz SPS Profibus
pi
Sicherheitssteuerung
SPS S7-400 Ethernet Profibus
Hubsteuerung
Abb. 5.35. Steuerungsarchitektur auf Basis SPS mit Regel-PC
5.7.2 Steuerungsarchitektur
259
Eine Modifikation dieser Variante ist die ausschließliche Nutzung eines Industrie-PC sowohl für die Regeltasks als auch für die Ablaufsteuerung mit so genannter Soft-SPS. Neuere Entwicklungen der kommerziellen Steuerungstechnik erlauben die Integration geregelter hydraulischer Achsen in die Hardware-Architektur. Ein Vertreter dieser Steuerungen ist die offene NC-Steuerung Siemens 840D, die mit HLA5-Modulen im SIMODRIVE 611-Antriebsverbund auch den Betrieb mehrerer hydraulischer Achsen erlaubt. Zudem können dank der Offenheit der Schnittstellen eigene Routinen bei Bedarf in den NCKern implementiert werden. Die Struktur einer solchen Lösung ist in Abb. 5.36. dargestellt. Die geregelten Achsen von Zuhalteeinrichtung, Innendruckachse und Axialachsen werden über ein NC-Programm im Hintergrund bedient, alle anderen Funktionen über die integrierte SPS. Vorteil dieser Lösung ist die Nutzung des großen Potenzials an steuerungs- und regelungstechnischem Know-how des Steuerungsherstellers und damit eine Entlastung der eigenen Ressourcen für die Entwicklung und Wartung solcher Software. Die gegenwärtig bevorzugte Lösung für die Steuerungsarchitektur einer Hydro-Umformmaschine beruht auf dem Motion-Control-Konzept. Bei diesen Steuerungen (s. Abb. 5.37.) sind sowohl die SPS-Funktion als auch Motion-Control-Funktionen und Technologie-Funktionen auf einer Hardware-Plattform vereinigt. Üblicherweise basiert die Hardware auf leistungsfähigen Industrie-PC-Architekturen mit Echtzeit-Betriebssystem, unter dem die einzelnen Funktionen (Soft-SPS, Regler usw.) als separate Tasks laufen. Motion-Control-Steuerungen werden mit einem umfangreichen Paket an Entwicklungs-Software ausgestattet, das die Programmierung mit den meisten Sprachen nach IEC 61131-3 [109] ermöglicht: − − − − −
IL (Instruction List), deutsch AWL (Anweisungsliste) LD (Ladder Diagram), deutsch KOP (Kontaktplan) FBD (Function Block Diagram), deutsch FUP (Funktionsplan) SFC (Sequential Function Chart), deutsch AS (Ablaufsprache) ST (Structured Text), (strukturierter Text, angelehnt an Hochsprachen)
Darüber hinaus lassen sich eigene Tasks in C++ oder ähnlichen Hochsprachen entwerfen und in die Applikation integrieren.
5
Hydraulischer Linearantrieb
260
5 Maschinen
Maschinensteuertafel
...
Offene NC-Steuerung
Ethernet-TCP oder RS485
Visualisierung
Profibus
Profibus
Profibus
Pilz SPS Profibus
pi
Sicherheitssteuerung
SPS S7-400 Ethernet Profibus
N/E
Hubsteuerung
NCU
Abb. 5.36. Steuerungsarchitektur mit offener NC-Steuerung Maschinensteuertafel
...
Visualisierung Profibus
Profibus
Ethernet
Profibus
Pilz SPS Profibus
pi
Profibus
Sicherheitssteuerung
-
bs trie An iert s ba
Motion-Control
Abb. 5.37. Steuerungsarchitektur mit Motion-Control-Steuerung
5.7.3 Bedienkonzepte Die Kommunikation mit dem Maschinenbediener (Mensch-MaschineInterface) erfolgt mit Hilfe des Visualisierungs- und Bediensystems. Der Bediener kann mit Parametern und Sollwerten die Maschine an das jewei-
5.7.3 Bedienkonzepte
261
lige Werkzeug bzw. den Fertigungsprozess anpassen, wobei Datenbanken mit gespeicherten Werkzeugparametern diese Tätigkeit unterstützen. Er kann manuelle Funktionen auslösen (Anwahl von Betriebsarten, Ein/Ausschalten von Baugruppen, manuelles Bewegen in der Betriebsart Einrichten). Er erhält Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine oder des Prozesses und kann mit Diagnosefunktionen Fehler im System erkennen und teilweise lokalisieren. Für diese Aufgaben kommen zunehmend multimediale Techniken zum Einsatz. Das Bedienkonzept von Hydro-Umformmaschinen berücksichtigt die spezifischen Besonderheiten der Baugruppen dieses Maschinentyps. Insbesondere ist eine ausreichend flexible Eingabe der Sollwertverläufe für die Innendruckachse sowie die Axialachsen nach Kraft und Position bzw. Geschwindigkeit erforderlich. Diese Eingaben können auf verschiedene Weise vorgenommen werden: − Profil-Programmierung (fester Zyklus) − Freie Zyklusprogrammierung Die Profil-Programmierung (Abb. 5.38.) erlaubt die Vorgabe der Sollwertverläufe für die Innendruckachse sowie die Axialzylinder für eine begrenzte Anzahl von Stützstellen über der Zeit oder über dem Weg in den entsprechenden Eingabemasken. Diese Herangehensweise ist ähnlich der Programmierung von Achsen konventioneller hydraulischer Pressen und wurde für die Belange von Hydro-Umformmaschinen modifiziert. Diese Sollwertverläufe sind in einen festen Maschinenzyklus eingebunden, die Anzahl der möglichen Achsen ist determiniert. Die freie Zyklusprogrammierung (Abb. 5.39.) erlaubt es, den Maschinenzyklus einschließlich der Regelfunktionen von Innendruck- und Axialachsen flexibel festzulegen. Hierzu werden vorgefertigte Funktionsblöcke mit Hilfe von Icons in geeigneter Weise verkettet, wobei neben der Reihenschaltung auch parallele Zweige in diesem Netzwerk möglich sind. Die so verketteten Funktionsblöcke können separat parametriert werden. Diese Art der Programmierung ist sehr flexibel und berücksichtigt die Vielfalt der Anforderungen an den technologischen Prozess im Werkzeug besonders gut.
262
5 Maschinen
Abb. 5.38. Profil-Programmierung (SIEMPELKAMP MASCHINENBAU GMBH & CO. KG)
Abb. 5.39. Freie Zyklusprogrammierung
UND
ANLAGEN-
5.7.3 Bedienkonzepte
263
Unverzichtbar für die Überwachung des Umformprozesses ist eine geeignete Prozessvisualisierung, mit der die Istwerte von Kraft, Druck oder Weg der beteiligten Maschinenachsen aufgezeichnet und dem Bediener in grafischer Form zur Auswertung ausgegeben werden (Abb. 5.40.). Diese Informationen können sowohl für eine Prozessüberwachung als auch in speziellen Fällen für eine Fertigungsdokumentation der Teile genutzt werden.
Abb. 5.40. Prozessvisualisierung für eine Hydro-Umformmaschine
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
6.1 Grundlegende Aspekte der Planung von HydroUmformprozessen Bei der fertigungstechnischen Auslegung und Planung von HydroUmformprozessen ist grundsätzlich zwischen dem Basisvorgang als solchem und ganzheitlichen Technologieketten unter Integration von Hydro-Umformprozessen zu unterscheiden. Die Ausrichtung der Planungsaktivitäten auf den einen oder anderen Schwerpunkt wird durch konkrete Zielgrößen hinsichtlich Fertigungskonzept, Stückzahl, Seriencharakter sowie durch den angestrebten Automatisierungs- und Integrationsgrad der Fertigung bestimmt. Die jeweiligen Besonderheiten, die sich beim Hydro-Umformprozess insbesondere hinsichtlich der Verwendung von Rohren oder ebenen Platinen als Halbzeuge unterscheiden lassen, werden nachfolgend dargestellt. Die Planung und Umsetzung der Hydro-Umformtechnologie für einen konkreten Anwendungsfall lässt sich dabei z.B. in die Etappen − − − −
Untersuchung der technischen Machbarkeit, Wirtschaftlichkeitsanalyse, Prototypischer Machbarkeitsnachweis und Serienvorbereitung und -einführung
unterteilen. Auf technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeitsanalyse wird nachfolgend näher eingegangen. Die Untersuchung der technischen Machbarkeit, d.h. der Darstellbarkeit einer gewünschten Bauteilform mittels Hydro-Umformprozess (entweder aus einem Profilrohr oder aus einer oder mehreren ebenen Blechplatinen), beginnt zumeist mit der vergleichenden Analyse analoger Fertigungsbeispiele, die zumindest bezüglich Bauteilform, Werkstoff, Stückzahl, Genauigkeitsparameter sowie Fertigungskonzept erfolgt. Neben der Nutzung von Erfahrungswissen bezieht sich die Analyse ebenso auf die Frage, ob es sich um die Nutzung bereits vorhandener Fertigungstechnik oder die Entwicklung eines Konzepts mit Neuinvestition handelt.
266
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
Grundparameter der Machbarkeit sind − der maximal erforderliche Wirkdruck sowie der Druckverlauf (Belastungsanalyse) und − die erforderliche Volumenverteilung des Werkstoffs vom Halbzeug zur Fertigform (Geometrieanalyse). Während die Analyse des erforderlichen Wirkdrucks hinsichtlich Plastifizierung und Fließbeginn in einer ersten Abschätzung anhand der aus der bekannten Kesselformel abgeleiteten Gl. (3.1) in Abschn. 3.3.2.3 bzw. Gl. (4.2) im Hauptabschn. 4.1.3 erfolgen kann, wird der Maximaldruck durch die kleinsten auszuformenden Radien am Bauteil bestimmt. Beispiele zur Vorgehensweise und Parameterrichtwerte für die Praxis sind in [18] aufgezeigt. Bei der Analyse der Volumenverteilung im Bauteil ist zu berücksichtigen, dass im allgemeinen Fall Rohrprofile, d.h. Profile mit einem konstanten, kreisrunden Querschnitt zum Einsatz kommen und somit der kleinste Querschnitt des Bauteils die Grundgeometrie des einzusetzenden Halbzeugs definiert. Durch Nutzung eines gezielten Nachschiebens von Werkstoff während der Ausformung im IHU-Vorgang durch zusätzliches Aufbringen von Druckspannungen mittels Axialzylinder kann gezielt Einfluss auf die Werkstoffverteilung genommen werden. Es sind darüber hinaus unterschiedliche Konzepte bekannt, die eine Flexibilisierung der direkten Geometriebindung zwischen Rohrhalbzeug und IHU-Bauteil ermöglichen (Falte, Vorform, tailored tube). Die Hydro-Umformpraxis hat gezeigt, dass Auswahl und Verfügbarkeit des Halbzeugs nicht nur die technische Machbarkeit wesentlich beeinflussen, sondern ebenso von grundsätzlicher Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und somit die gesamtheitliche Akzeptanz der Anwendung der Hydro-Umformtechnologie sind. Bestandteil der Machbarkeitsanalyse sind ebenso Untersuchungen zum Werkzeugkonzept. Ein weiterer Aspekt der Machbarkeit ist die Auswahl eines adäquaten Steuerungsablaufs der Prozessparameter unter Berücksichtigung der Anlagentechnik. Zeit-, weg- oder druckabhängige Prozessfolgen kommen zur Anwendung. Bekannt geworden sind auch Aspekte, die sich bei der Anwendung volumenabhängiger Steuerungskonzepte nutzen lassen [170]. Moderne Planungskonzepte integrieren bei der Prozessauslegung unabdingbar Elemente der Virtuellen Realität, insbesondere die Simulation der Umformvorgänge unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM). Finite-Elemente-Berechnungen kommen insbesondere zur Parameterfindung, Prozessanalyse und Optimierung vor der hardwareseitigen Fertigung der Werkzeug- und Wirkelemente sowie bei ersten Untersuchungen an Proto-
6.1 Grundlegende Aspekte der Planung von Hydro-Umformprozessen
267
typ-Bauteilen und der Unterstützung experimenteller Machbarkeitsstudien zum Einsatz. Parallel zur technischen Machbarkeit beinhaltet die Planung eines Hydroumform-Fertigungsablaufs ebenso die Wirtschaftlichkeitsanalyse. Grundbestandteile der Wirtschaftlichkeitsanalyse sind: − − − −
Materialkosten Werkzeug- und Anlagenkosten Stückzeiten Personalkosten
Die Darstellung von vertieften Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu IHU-Vorgängen ist weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Aufgrund der engen Verbindung zur technischen Machbarkeit soll nachfolgend jedoch zumindest auf die Halbzeug- und Materialkosten sowie die Stückzeiten näher eingegangen werden. Halbzeug- und Materialkosten Rohrprofile sind aufgrund der bereits erhöhten Wertschöpfung gegenüber ebenen Blechzuschnitten zumeist teurer (Richtwert: 2fach). Andererseits beinhaltet die geschlossene Profilform durch die zu erwartende erhöhte Bauteilsteife und den Wegfall von ggf. notwendigen Flanschen die Chance zur Materialeinsparung. Diese Vorteile sind in der Bauteilgestaltung und Prozessauslegung zu berücksichtigen. Ebenso ist die prozessspezifisch erforderliche Rohrqualität ein wirtschaftlicher Faktor. Weist z.B. bei Stahlbauteilen der IHU-Prozess sehr qualitäts- und genauigkeitssensible Parameter auf, sind ggf. höhere Veredelungsstufen der zumeist längsnahtgeschweißten Rohre mit dementsprechend höheren Halbzeugkosten erforderlich. Geometrisch angepasste Rohrhalbzeuge (tailored tubes, längsveränderlicher Querschnitt u.Ä .), ggf. bereits vorgeformt (gebogen, querschnittsgeformt), können u.U. Lösungsansätze für IHU-Bauteilprozesse sein. Technologische Konzepte müssen hier bei der wirtschaftlichen Analyse im Wechselspiel von Integrationsgewinnen, Material- und Halbzeugkosten sowie Qualitäts- und Prozesssensibilitätsgesichtspunkten gewichtet werden. Stückzeiten Aufgrund der druckmedienspezifischen physikalischen Besonderheiten sind Hydro-Umformabläufe zumeist keine „schnellen“ Prozesse. Die stückzeitrelevanten Bestandteile in der Prozessfolge wie − Füllen der Bauteil- bzw. Werkzeugkavität mit Wirkmedium (sowie Entleerung nach der Umformung),
268
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
− gesteuerter Aufbau des Wirkdrucks und abschließende gezielte Druckentlastung im Hochdruckbereich sowie − (zusätzlich): Aufbau der Schließ- und Zuhaltekraft (bei zumeist hydraulischen Pressen) verlängern in konventionellen Hydro-Umformabläufen die Prozesszeit gegenüber bekannten konkurrierenden Prozessabläufen, wie u.a. beim Tiefziehen bzw. analogen Umformvorgängen. Diesem systemrelevanten Nachteil der Hydro-Umformtechnologie wird in der Praxis durch folgende Maßnahmen gegengesteuert: 1. Ausnutzung von Methoden zur Prozessverkürzung (Schnellfüllsystem, spezielle Schnellverriegelungen u.a.) 2. Erzeugung von „Mehrfachteilen“, d.h. der Fertigung von mehreren Bauteilen während eines Pressenhubs (Schließ- und Zuhaltvorgang). Bekannt sind hier Vielfachteile als Einzelteile (wie z.B. bei T-Stücken angewandt) bzw. die Fertigung in mehreren Fertigungsnestern in einer Aufspannung in der Anlage (Schließeinrichtung), jedoch auch Doppelund Mehrfachteile, die nach der Ausformung noch getrennt werden müssen. Insbesondere die Anwendung von nach dem Hydro-Umformen noch zu trennenden Doppel-, aber auch Mehrfachteilen ist sehr typisch für HydroUmformkonzepte. Neben der Stückzeitverkürzung und somit Produktivitätssteigerung lässt sich zusätzlich meist eine Materialeinsparung aufgrund der Reduzierung erforderlicher Ankonstruktionen am Bauteil erzielen. Ein Beispiel hierfür wird in Hauptabschn. 6.3.1 dargestellt. Anzumerken ist hier aber auch, dass die moderne Hydro-Umformtechnologie erst in den 90er Jahren insbesondere durch die Steuerbarkeit der zeitrelevanten Größen Werkstofffluss und Prozessablauf und somit der Realisierung neuartiger Bauteilgeometrien an Bedeutung gewonnen hat. Im Planungs- und Umsetzungsablauf relevant sind ebenso der Werkzeugbau und der Hydroumform-Prototypprozess (s. Kap. 4.3).
6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems Ein wesentliches Element der Planung bei der Hydro-Umformung ist das zum Einsatz kommende Fertigungssystem. Man kann grundsätzlich zwischen der Hydro-Umformanlage als Fertigungszelle und Einzelsystem und der Hydro-Umformanlage als integralem Bestandteil eines ggf. vollautomatisierten Fertigungskonzepts unterscheiden.
6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems
269
6.2.1 Hydro-Umformanlage Die konventionelle Hydro-Umformanlage als Einzelsystem und Fertigungszelle besteht aus den Komponenten − Schließ- und Zuhalteeinrichtung, − Hydroumform-Werkzeugsystem und − Fluidsystem für das Wirkmedium. Diese Komponenten sind vorzugsweise durch eine den Anforderungen des Hydro-Umformvorganges entsprechende Steuerung verknüpft sowie optional durch ein Handlingsystem für Beschickungs- und Entnahmevorgänge komplettiert.
Abb. 6.1. Hydro-Umformanlage der Fa. S. DUNKES GmbH am Fraunhofer IWU
Die technische Komplexität von Hydro-Umformwerkzeugen (Abb. 6.2.) kann je nach Technologiekonzept von der einfachen geometrischen Kavität im Werkzeug mit Adaptern zur Einleitung des flüssigen Wirkmediums bis hin zu anlagenähnlichen, z.T. modularen Systemen mit integrierten Antrieben reichen, wie sie insbesondere bei der Innenhochdruck-Umformung von Rohren mit Nachschieben von Werkstoff zur Anwendung kommen.
270
6 Planung von Hydro-Umformprozessen Werkzeug-Rahmen
Gegenhalter
Werkzeug
Hochdruck-Anschluss
Pressenstößel Pressengestell Axialzylinder
Pressentisch
IHU-Werkzeug
Abb. 6.2. IHU-Werkzeugsystem
Als Schließ- und Zuhalteeinrichtung in Hydro-Umformanlagen kommen vorzugsweise hydraulische Pressen zum Einsatz. Dieser Umstand ist vor allem den hohen aufzubringenden Kräften und der Flexibilität im KraftZeit-Verlauf geschuldet. Typische nominale Schließkräfte liegen derzeit im Bereich von 10 bis 100 MN. Sonderlösungen, die insbesondere auf eine spezifische Prozessanpassung oder z.B. die Verringerung des erforderlichen Investitionsvolumens abzielen, sind aus Praxis und Literatur bekannt. Hydro-Umformanlagen arbeiten überwiegend mit wasserbasierten Emulsionen als Wirkmedium. Diese Flüssigkeiten sind in einen offenen Kreislauf eingebunden, der vom zumeist ölhydraulischen Antriebssystem der Presse und der aktiven Antriebe im Hydro-Umformwerkzeug getrennt ist. Die häufig anzutreffende Unterteilung in Füll-, Niederdruck- und Hochdrucksystem erfordert entsprechende Pumpen- und ggf. Speichertechnik. Die Bereitstellung des Wirkdrucks im oberen Druckbereich erfolgt durch Druckübersetzer, die zumeist diskontinuierlich, d.h. mit einem
6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems
271
Füll- und einem Arbeitshub, arbeiten. Wesentlicher Bestandteil des Fluidmanagements ist die Konditionierung des Wirkmediums. Neben der Filterung und Gewährleistung einer konstanten Konzentration von Emulsionsbestandteilen beinhalten industrielle Fluidsysteme zumeist ebenso Einrichtungen zur Temperierung, vorzugsweise zur Kühlung des Fluids. Hydro-Umformanlagen als Einzelsysteme sind sehr flexible Fertigungsmodule, die insbesondere bei häufig wechselnden Fertigungsaufgaben zum Einsatz kommen. Durch den bzw. die Anlagenbediener werden neben Einlege- und Entnahmeoperationen häufig auch die Konditionierung der Halbzeuge (Befettung, Schmierung) und Fertigteile (Entleerung) sowie die Prozess- und Qualitätsüberwachung der durch viele Einflussfaktoren gekennzeichneten Abläufe ausgeführt. 6.2.2. Hydroumform-Fertigungssysteme Mit der Entwicklung der Hydro-Umformtechnologie zur anerkannten Serientechnologie im Automobil- und Zuliefererbereich war seit Mitte der 90er Jahre auch die Entwicklung von Hydroumform-Fertigungssystemen in verschiedenen Ausbaustufen verbunden. Derartige Fertigungssysteme können im Gegensatz zu Einzelanlagen den gesamten Fertigungsablauf einer Hydro-Umformkomponente vom Halbzeug bis zum Fertigteil abbilden. Je nach Bauteil und Automatisierungsgrad schwanken Struktur und Zusammensetzung einer solchen Fertigungslinie. In der Grundstruktur besteht sie i.d.R. aus Biegezelle, Vorformzelle, Umformzelle und einer Einheit zur Endenbearbeitung. Diese Fertigungszellen werden durch Handling-Einrichtungen oder Roboter miteinander verkettet. Weitere Komponenten können die Halbzeugbereitstellung, Schmiereinrichtungen und Waschanlagen sowie optional Mess- und Prüfstationen sein. Die einzelnen Komponenten müssen bezüglich Verfügbarkeit, Zykluszeit und Auslastung im Fertigungssystem abgestimmt werden. Hierzu dienen vorzugsweise auch zwischengeschaltete Pufferstationen. Eine der ersten vollautomatischen Hydro-Umformanlagen als Fertigungssystem für Vorderradträger wurde im Januar 1998 bei der Adam Opel AG in Bochum in Betrieb genommen (Abb. 6.3.).
272
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
Abb. 6.3. Vollautomatisierte Hydro-Umformanlage (SCHULER HYDROFORMING GMBH & CO. KG)
6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele 6.3.1 Abgasbauteil als IHU-Doppelteil Rohrförmige Komponenten von Abgasanlagen sind klassische Anwendungsbereiche für die IHU-Technologie. Abgasbauteile werden vorwiegend aus rost- und hitzebeständigen Edelstählen hergestellt. Diese Bauteile sind gekennzeichnet durch kleinere Bauteilvolumina, haben jedoch komplexe, dreidimensionale Formen. Sie sind außerdem meist verzweigt mit Aushalsungen in T- oder Y-Form. Die Formgebung erfolgt, wie in Abschn. 3.3.2.4 (Abb. 3.61.) gezeigt, meistens über die Stadien − Biegen, − Innenhochdruck-Umformung und − Beschnitt. Abgasbauteile als IHU-Bauteile sind i.d.R. sowohl durch eine z.T. erhebliche freie Aufweitung im Durchmesser als auch durch zusätzliche Aushalsungen gekennzeichnet, die nur durch eine optimale Abstimmung des wirkenden Innendrucks und gezieltem Nachschieben von Werkstoff durch die Axialzylinder während des Umformvorganges ausformbar sind. Neben Erfahrungswerten und experimentellem Tryout spielt hier die Prozessbeschreibung und -optimierung mit Hilfe der Finite-ElementeSimulation eine dominante Rolle bei der Prozessauslegung. Die rohrförmigen Bauteile erfordern zumindest im Kontaktbereich mit den axialen Dicht- und Nachschiebestempeln der Axialzylinder eine so genannte Ankonstruktion an die spätere Bauteilgeometrie. Dieser Übergangs-
6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele
273
bereich, notwendig u.a. für das Nachschieben von Werkstoff in die kritischen Umformzonen und den Beschnitt nach der Umformung, bedeutet einen zusätzlichen Werkstoffbedarf im Hinblick auf die Halbzeugbereitstellung und ist ein wesentliches Optimierungsziel in der Prozessauslegung. Wirtschaftlich-technologische Kriterien bei der Prozessplanung von IHU-Abgasbauteilen sind neben Machbarkeit und Prozesssicherheit insbesondere Stückzeiten und Halbzeugkosten. Dies führt dazu, dass derartige Bauteile mittels IHU-Technologie oft als Doppel-, ggf. sogar als Mehrfachteile gefertigt werden. Doppelteile als IHU-Bauteile im Umformprozess werden häufig zur Erhöhung der Produktivität angestrebt. Die Frage der Teilungs- bzw. Symmetrieebene dieser Bauteile stellt sich unter dem Aspekt der Bauteilgeometrie, der Materialeinsparung und Komplexität bezogen auf das zum Einsatz kommende Halbzeug, der Kraftwirkungen im Umformprozess und eines optimalen Werkstoffflusses. Doppelteile sind typisch, wenn insbesondere das beidseitige Nachschieben von Werkstoff erforderlich ist. Die Auslegung als Doppelteil kann u.U. sowohl die Produktivität je IHU-Zyklus erhöhen als auch – durch Wegfall der Ankonstruktion im Mittenbereich – die Werkstoffausnutzung verbessern. Vor allem die Ausformbarkeit der bei diesen Bauteilen typischen Nebenformelemente (Abzweigungen) bestimmt den Handlungsbedarf für Variantenuntersuchungen. Dies zeigt folgendes Beispiel anhand einer einfachen Geometrie, die allerdings an beiden Enden unterschiedliche Durchmesser aufweisen soll und eine Y-förmige Aushalsung erfordert (s. Abb. 6.4.).
Abb. 6.4. Hydro-Umformbauteil (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)
Das Doppelteil ist grundsätzlich zumindest in zwei Varianten ausbildbar (s. Abb. 6.5.). Die Analyse zeigt, dass in Variante 1 die Anordnung sowohl den Werkstofffluss in die Aushalsung unterstützt als auch der Über-
274
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
gangsbereich zwischen den Bauteilen optimal gestaltet ist. Variante 2 scheitert sowohl am erforderlichen Werkstofffluss in Gegenrichtung in der Aushalsung und würde ebenso eine komplexere und mehr Werkstoffeinsatz erfordernde Ankonstruktion notwendig machen. Das Beispiel zeigt ebenso die Sinnfälligkeit einer prozessorientierten Bauteilauslegung für den IHU-Prozess, die im besten Fall bereits bei der Entwicklung der Bauteilform selbst beginnen sollte. Thickness [mm]
Symmetrieebene
Nachschieben: 55 mm
1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9
Nachschieben: 50 mm
Variante 1 Doppelteil ausformbar
Symmetrieebene
Variante 2 Doppelteil in dieser Form nicht qualitätsgerecht ausformbar
Abb. 6.5. Konzeptvarianten Doppelteil
6.3.2 IHU-Strukturbauteil als Space-Frame-Komponente Die Hydro-Umformung birgt erhebliches Potenzial insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen. Komplexe Formen ergeben sich durch Ansätze zur Erhöhung der Produktivität in der Fertigung durch Doppelteilkonzepte. Ein weiterer Ansatz ist das Bestreben zur Verringerung der Bauteilanzahl am Endprodukt durch größere Form- und Funktionsintegration am Bauteil selbst. Die Komplexität wird dabei sowohl durch häufig anzutreffende Dreidimensionalität der Bauteile als auch durch Nebenformelemente unterschiedlichster Art und Funktion bestimmt. Hydro-Umformteile finden u.a. auch aufgrund dieses Potenzials bei Space-Frame-Bauweisen in Fahrzeugkonzepten Anwendung. Weitere Vorteile liegen hier im Einsatz geschlossener Hohlprofile unter den Gesichtspunkten der Belastbarkeit und Herstellbarkeit sowie in der Integrierbarkeit
6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele
275
speziell ausgebildeter Nebenformelemente als Montageschnittstellen direkt in das Bauteil. Die Entwicklung und Prozessauslegung von Space-Frame-Strukturelementen führt häufig zu mehrstufigen Umformprozessen in der technologischen Stadienfolge, die Vorformen für das eigentliche Hydro-Umformen bilden. Einen besonderen Schwerpunkt stellt dabei die Optimierung der Bauteilvorform dar, die neben Biegeoperationen entlang der Bauteilachse häufig auch das Vorformen im Bauteilquerschnitt beinhaltet, insbesondere im Hinblick auf die Einlegebedingungen. Derartige Prozessauslegungen sind typische Aufgabenstellungen für komplexe, mehrstufige FE-Simulationen dieser Prozesse und zumeist dreidimensionalen Bauteile. Sie beinhalten die gesamte Folge der Bauteilentwicklung – von der Bauteil-Idee, einer verfahrensangepassten Bauteilkonstruktion, der Machbarkeitsanalyse bis hin zum Abgleich mit ersten experimentell erzeugten Prototypen im Realwerkstoff und weiter bis zu serienteilrelevanten Aufgabenstellungen mit einer Vielzahl technischer und wirtschaftlicher Wechselwirkungen und Einflussparametern bei der Optimierung. Beispielhaft zeigt Abb. 6.6. das Ergebnis der komplexen Simulation eines dreidimensionalen IHU-Space-Frame-Bauteils. Ebenso ist die Veränderung eines ausgewählten Querschnitts in der technologischen Stadienfolge dargestellt. Werkzeuge
Prozesskette Werkzeuge für Vorform 1
Ausgangszustand Rohr
IHU-Werkzeuge für Endform Werkzeuge für Vorform 2 Werkstück
Bauteil
Vorform 1 Querschnitt 1 Vorform 2 Querschnitt 2 Zwischenform: IHU-Werkzeuge geschlossen
3D-Simulation für ein Space-Frame-Bauteil (Wanddickenverteilung im Endzustand)
Endform
Abb. 6.6. Space-Frame-Bauteil in Hydro-Umformtechnologie einschließlich Vorformgebung
276
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
6.3.3 IHU-Bauteile als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger Besondere Potenziale eröffnen sich bei Konzepten mit Hydro-Umformteilen, wenn ein gesamtheitlicher Ansatz verfolgt wird. Dies soll am Beispiel einer Lösungsvariante für den Strukturleichtbau mit Hydro-Umformteilen als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger (s. Abb. 6.7.) als Planungsbeispiel diskutiert werden. Verglichen wurden zwei Lösungsansätze: − Konzept 1 mit Schalenformen aus Ziehteilen und Verstärkungselementen aus Rohren − Konzept 2 ausschließlich mit IHU-Bauteilen aus rohrförmigen und vorgeformten Halbzeugen Typische wirtschaftliche Zielstellungen derartiger Konzeptvergleiche sind: − die Reduzierung der Anzahl der Einzelteile und der notwendigen Fügeoperationen im Zusammenbau − die Reduzierung des Baugruppengewichts und die optimale Integrierbarkeit in vorhandene Bauräume, ggf. zusätzlich eine Verschlankung der Bauteilgesamtstruktur − die Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Umformwerkzeuge und somit der Werkzeugkosten Als technische Zielstellung in der Funktion dieser Baugruppe steht die Erreichung der geforderten Steifeparameter bzw. eine mögliche Steifigkeitserhöhung im Vordergrund. Die Potenzialanalyse für die Herstellung einer solchen Baugruppe durch Hydro-Umformung beginnt mit einer Belastungsanalyse der Zielstruktur. Zusätzlich sind die Schnittstellen sowohl zur Gesamtstruktur als auch innerhalb der Baugruppe zur Definition optimaler Einzel-Bauteilgeometrien festzulegen und bezüglich Machbarkeit zu untersuchen. Im ganzheitlichen Ansatz kommt auch der prozess- und bauteilspezifischen Werkstoffauswahl eine entscheidende Rolle als Konzeptvariable zu. In der entwickelten IHU-Variante wird die Baugruppe durch fünf Rohrabschnitte gebildet. Die gesamte Konzeptgestaltung sowie Bauteil- und Prozessentwicklung bis hin zur Ermittlung der zu erwartenden Eigenschaften der Baugruppe im Belastungsfall erfolgte neben experimentellen Tests im Prototypbereich vorzugsweise und überwiegend durch Computer- und FEM-Simulation. Die erzielten Ergebnisse bestätigten die Machbarkeit sowohl aus technologischer Sicht als auch bezüglich der erreichbaren Funktionseigenschaf-
6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele
277
ten. Ebenso konnten positive Aussagen zu den wirtschaftlichen Effekten getroffen werden. Bei der Entscheidung zur Umsetzung derartiger Baugruppenkonzepte mit Hydro-Umformteilen spielen aufgrund der zumeist verfahrenstypisch notwendigen Neuinvestition weitere strategische Aspekte und insbesondere die Stückzahl eine entscheidende Rolle. Konventionelle Variante
Neue IHU-Variante
8 Ziehteile 4 Rohre
= 5 Teile
= 12 Teile
Abb. 6.7. Konzeptvergleich A-SäuIe und Dachquerträger
6.3.4 Hydro-Umformteile als Komponenten flächiger Karosseriestrukturen Auch für flächige Karosseriestrukturen existieren sowohl Konzepte als auch bereits realisierte Anwendungen mit Hydro-Umformteilen. Dies betrifft sowohl flächige Verstärkungs- und Strukturteile, Säulen (B-Säule) als auch Dachkomponenten und Klappen (Motorhaube). Das Umformen von ebenen Blechen bzw. Vorformen mittels flüssiger Wirkmedien hat gegenüber dem IHU von rohrförmigen Halbzeugen eine Reihe von Besonderheiten (s. Abschn. 2.4.2 und 3.2.3 sowie Kap. 3.4). Dies betrifft zuallererst die Unterscheidung in Einzel- und DoppelplatinenKonzepte. Weiterhin die Entscheidung, ob nur abgestreckt wird oder das Potenzial von nachfließendem Werkstoff in die Bereiche der Umformung genutzt werden soll. Ebenso wesentlich für das Bauteil- und Prozesskonzept ist die Problematik der Ankonstruktion und der Zuführung des Wirkmediums. Ein Planungsbeispiel, bei dem der Lösungsansatz insbesondere auf der Verwendung eines speziellen Halbzeugs aufbaut, soll nachfolgend dargestellt werden. Bekanntermaßen existieren verschiedene Ansätze, Blechhalbzeuge insbesondere im Sinne des Leichtbaus belastungs- und funktionsoptimal zu
278
6 Planung von Hydro-Umformprozessen
gestalten. Neben einer zweckbezogenen Werkstoffauswahl kann das geometrische Kriterium Blechdicke z.B. durch tailored blanks verändert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung von so genannten Patchwork-Blechen, bei denen gedoppelte Blechstrukturen und somit gezielte örtliche Veränderungen der Materialdicke mit hoher Flexibilität durch Aufbringen von zusätzlichen Blechzuschnitten auf ein Grundblech erreicht werden (Abb. 6.8.). Motorhaube
Schnitt A-A
Fluid
A
A
Patchwork-Verstärkungsblech
Abb. 6.8. Prinzipbild Patchblech am Beispiel einer Frontklappenverstärkung
Durch derartige Maßnahmen kann eine bezüglich Gewicht und Funktion optimierte Auslegung des Bauteils bereits durch die Qualifizierung des Halbzeugs erreicht werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Hydro-Umformung kann ebenso zum Tragen kommen: Die mit Fluid beaufschlagte Seite ist geometrieflexibel und muss nicht speziell in die Werkzeuggravur eingearbeitet werden. In einer Konzeptstudie wurde dieser Lösungsansatz vertieft und vergleichend für ein Innenblech einer Motorhaube weiteren möglichen Fertigungsvarianten gegenübergestellt. Die Fertigungsplanung beinhaltete sowohl die Variation des Halbzeugs (Formplatine, tailored blank und Patchblech) als auch die Umformverfahren (sowohl Tiefziehen als auch Hydro-Umformen im Einzel- sowie Doppelplatinen-Verfahren) und schloss auch die Aspekte der Fügetechnologien und Konsequenzen im Bereich Rohbau mit ein. Abbildung 6.9. zeigt beispielhaft das Motorhauben-Innenteil im Ergebnis der konventionellen Prozesskette mit separat zu fertigenden Verstärkungsteilen sowie eine alternative Variante eines Patch-Innenbleches, im Konzeptansatz durch Hydro-Umformung erzeugt.
6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele Konventionelle Ausfü hrung
Alternative Varianten
(mit gesonderten Verstärkungsteilen)
(Integrales Hydro-Umformbauteil)
Innenblech
1,3 mm
Einsatz Luftführung
~1,2 mm
279
1 Innenblech gepatcht bzw. Tailored Blank (2 Blechdickenbereiche)
Verstärkung Schloss
2,5 mm
Abb. 6.9. Konzeptstudie Motorhauben-Innenblech durch Hydro-Umformung
Bei konstanter Masse des Innenblech-Bauteils zuzüglich einer Verbesserung der Bauteilsteife konnte für den Ansatz „Patch-Innenblech mit Hydro-Umformung“ bereits für den mittleren Stückzahlbereich ein erhebliches Einsparungspotenzial ermittelt werden. Die Einsparung begründet sich insbesondere durch die zu erzielende Verringerung der Anzahl der Platinen, Umformwerkzeuge und erforderlichen Fügeoperationen. Demgegenüber war die erforderliche Investition in neue Anlagentechnik zuzüglich der bauteilbezogen prognostizierten geringen Auslastung sowie eine zu lange Zykluszeit beim Hydro-Blechumformen zu berücksichtigen. Die Konzeptstudie verdeutlicht somit auch das Erfordernis, derartige neue Fertigungskonzepte auch durch neue Organisations-, ggf. auch Finanzierungskonzepte ergänzen zu müssen.
7 Ausblick
Die wirkmedienbasierte Umformung, insbesondere die Hydro-Umformung, ist eine „lebende“ Technologie, die vor allem in den letzten zwanzig Jahren, in denen sie sich auch zur anerkannten Technik für den Automobilbau qualifizierte, ihr Innovations- und Entwicklungspotenzial nachhaltig bewiesen und dabei breite Anwendung gefunden hat. Die Entwicklung ist dabei natürlicherweise durch Phasen unterschiedlicher Dynamik gekennzeichnet. Dem Boom der 90er Jahre bis hin zum Überschwang in den Visionen und Erwartungen an diese Technologie folgte ein z.T. krisenhafte Züge annehmendes Abflauen im Marktsegment zu Beginn dieses Jahrzehnts. Gegenwärtig ist von einer Phase der Konsolidierung auszugehen. Aktionsfelder verlagern sich, Fertiger und Anwender ordnen ihre Strukturen neu und fokussieren ihre Produktfelder; neue Märkte entwickeln sich. Dabei sind Rahmenbedingungen und Grundsituation für diese Technologie zumindest konstant und bedeutsam geblieben: Aus Energie- und Umweltaspekten, mit dem Hintergrund der Ressourcenschonung, ist der funktionsgerechte Leichtbau ein konsequentes, permanentes Erfordernis aktueller und zukünftiger technischer Lösungen in nahezu allen industriellen Bereichen. Und die Hydro-Umformung ist eine der Technologien, die bei zweckentsprechender Anwendung wirksame, Erfolg versprechende Lösungskonzepte für solche Aufgaben und Ansprüche bieten kann. Somit steht die Hydro-Umformung heute als ausgereiftes Technologieangebot zur Verfügung, das in seinem Innovations- und Anwendungspotenzial jedoch mit Sicherheit noch nicht ausgereizt ist. Neben den prinzipbedingten Vorteilen stellt sich hier der Aspekt, dass in der Vielschichtigkeit des Umformsystems Hydro-Umformung eine ganze Reihe von Stellgrößen und Parametern auftreten, einstellbar oder sogar regelbar sind, als ein Vorteil für neue Entwicklungen und die noch bessere Erfüllung zukünftiger Umformaufgaben dar. Das Technologiesegment Hydro-Umformung ist heute ein Erfolg versprechendes Angebot für neue Konzepte. Im Anlagenbereich stehen erprobte Systeme unterschiedlichster Konfiguration und Ausbaustufe zur Verfügung. Im Technologie- und Werkzeugbereich kann auf gesichertes Know-how zurückgegriffen werden. Im Anwendungsbereich ist ein viel-
282
7 Ausblick
schichtiger Erfahrungsschatz vorhanden. Zusätzlich kann ein ausgereiftes und effizientes Engineering genutzt werden. Und es gibt einen weiteren Aspekt des Angebots, das nunmehr als ein Bonus der Hydro-Umformung zu werten ist – der nicht unwichtige menschliche Faktor. Wenn zu Beginn der 90er Jahre die meisten Akteure in dieser Branche noch Newcomer waren und die speziellen Betrachtungsweisen und Anforderungen zur wirksamen Anwendung dieser Technologie unter den involvierten Personen erst intensiv kommuniziert werden mussten, so ist heute unser Wissen auf diesem Gebiet schon recht breit gestreut und in den Köpfen abgelegt. Und diesem Blickwinkel will sich auch dieses Buch widmen. Neben Grundlagen sind auch vorhandenes, z.T. sehr individuelles und spezifisches Wissen und anwendungsorientierte Erfahrungen gesammelt und für die Nachnutzung aufbereitet worden. Dabei konnten in diesem ersten Ansatz sicher nicht alle Belange umfassend integriert werden. Insbesondere vertiefende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und die wachsende Rolle der Integration von Angeboten aus dem Bereich der Virtuellen Realität bei der Lösung von Aufgabenstellungen in den Prozessketten der Hydro-Umformung sind möglichen nachfolgenden Auflagen vorbehalten. Vielleicht gelingt es so, unseren gemeinsamen Wissens- und Erfahrungsschatz hinsichtlich dieser Technologie in seiner Entwicklung und Erweiterung kontinuierlich zu erfassen und zu dokumentieren und somit zu bewahren und nachnutzbar zu machen.
Literaturverzeichnis
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Symbole
Symbol A a
Einheit % m² (cm²; mm²) m (mm)
A1 A2 A5
m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) %
A80
%
Agl AK AK ges_DK
% m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²)
AK ges_HZ
m² (cm²; mm²)
AK ges_SZ
m² (cm²; mm²)
ALochung Anach Aproj Aproj Boden Aproj Flansch AR AR ges_HZ
m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²)
Areib Astirn
m² (cm²; mm²) m² (cm²; mm²)
B b D D0
m (mm) m (mm) m (mm) m (mm)
E
GPa (1GPa = 1000N/mm²)
Erläuterung Bruchdehnung Kolbenfläche; Kontaktfläche Abstand zwischen Niederhalter und Matrize Primärfläche Sekundärfläche Bruchdehnung (Probestab l0/d0 = 5) Bruchdehnung (Ausgangsmesslänge 80 mm) Gleichmaßdehnung Kolbenfläche eines Hydrozylinders summarische Kolbenfläche des Druckkissens summarische Kolbenfläche der Hauptzylinder summarische Kolbenfläche der Schließzylinder Fläche der Lochung/des Ausschnittes Stirnfläche des Nachschiebestempels projizierte Fläche projizierte Fläche der Gravur projizierte Fläche des Flansches Ringfläche eines Hydrozylinders summarische Ringfläche der Hauptzylinder wirksame Kontaktfläche Stirnfläche des Axialstempels/ Dichtstempels Werkzeugeinsatz-Seitendicke Gravurbreite Durchmesser; Rohraußendurchmesser Ausgangsdurchmesser; Rohrausgangsdurchmesser Elastizitätsmodul
298
Symbole
EWerkzeug
GPa
F Faxial Fdicht Fdurchsetz Fgegen Fnach FNiederhalter Föff FPinole Fradial Freib Fschließ Fschließ max Fstat.Gl.gewicht Boden
N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN)
Fstat.Gl.gewicht Flansch N (kN; MN) FStempel FStößel Fstülp Fumform Fumform axial Fvorform Fvorform max H h HF HRC kf l n p
p1 p2
N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) N (kN; MN) m (mm) m (mm) MHz Pa (MPa) (1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²) m (mm) Pa (1Pa = 1N/m²) in der Literatur übliche Einheit: bar (1bar = 105 Pa = 0,1N/mm²) Pa (bar) Pa (bar)
Elastizitätsmodul des Werkzeugwerkstoffes Kraft Axialkraft Dichtkraft Durchsetzkraft Gegenhaltekraft Nachschiebekraft Niederhalterkraft Werkzeugöffnungskraft Pinolenkraft Radialkraft Reibkraft Schließkraft maximale Schließkraft Gleichgewichtskraft aus Gravurfläche mal Innendruck Gleichgewichtskraft aus Flanschfläche mal Innendruck Stempelkraft Stößelkraft Stülpkraft Umformkraft Umformkraft in axialer Richtung Vorformkraft maximale Vorformkraft Verhältnis Innenradius/Wanddicke Werkzeugeinsatz-Bodendicke Gravurtiefe Hochfrequenz Härte nach Rockwell (mit Diamantkegel) Umformfestigkeit Schnittkantenlänge; Knicklänge; Stützlänge Verfestigungsexponent Druck
Primärdruck Sekundärdruck
Symbolverzeichnis pa pberst pi pi max pi variabel pi zul pK
Pa (bar) Pa (bar) Pa (bar) Pa (bar) Pa (bar) Pa (bar) Pa (bar)
pK max_DK
Pa (bar)
pK max_HZ
Pa (bar)
pK max_SZ
Pa (bar)
Q QP QP max
m³/s (l/min) m³/s (l/min) m³/s (l/min)
QR
m³/s (l/min)
QR ges_HZ
m³/s (l/min)
R Re
m (mm) Pa (MPa) (1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²)) Pa (MPa) m (mm)
Rm r rBoden rBoden min reck reck min rmin s s0
m (mm) m (mm) m (mm) m (mm) m (mm) m (mm) m (mm)
s1
m (mm)
sAusdünnung saxial se se Ist se Soll
% m (mm) m (mm) m (mm) m (mm)
299
Außendruck Berstdruck Innendruck maximaler Innendruck; Kalibrierdruck variabler Innendruck zulässiger Innendruck Druck auf der Kolbenseite eines Hydrozylinders maximaler Druck auf der Kolbenseite des Druckkissens maximaler Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder maximaler Druck auf der Kolbenseite der Schließzylinder Volumenstrom Volumenstrom der Hauptpumpe maximaler Volumenstrom der Hauptpumpe ringseitiger Volumenstrom eines Hydrozylinders summarischer ringseitiger Volumenstrom der Hauptzylinder beim Öffnen des Werkzeuges Biegeradius; Krümmungsradius Streckgrenze Zugfestigkeit Anisotropiewert Innenradius eines Bauteiles; Rohrradius Bodenradius kleinster Bodenradius Eckradius (in Ausschnitten) kleinster Eckradius (in Ausschnitten) kleinster Innenradius eines Bauteiles Blechdicke; Wanddicke; Weg Ausgangsblechdicke; Ausgangswanddicke Blechdicke; Wanddicke nach der Umformung Ausdünnung Axialstempelweg Einzugweg Ist-Einzugweg Soll-Einzugweg
300
Symbole
sgegen t V VK
m (mm) s m³ (dm³; l) m³ (dm³; l)
v vöffnen vöffnen max
m/s (mm/s) m/s (mm/s) m/s (mm/s)
Y Z β
m (mm) m (mm) 1/Pa
ǻs0
m (mm)
σf σr σt τ τh
% °C Pa (MPa) (1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²) Pa (MPa) Pa (MPa) Pa (MPa) Pa (MPa) Pa (MPa)
τm
Pa (MPa)
τs
Pa (MPa)
ϕ ϕ1 ϕn ϕr ϕt
-
ε ϑ µ σ
Gegenhaltestempelweg Zeit Volumen kolbenseitiges Volumen des Hauptzylinders bei geschlossenem Werkzeug Geschwindigkeit Werkzeugöffnungsgeschwindigkeit maximale Werkzeugöffnungsgeschwindigkeit Werkzeugeinsatzbreite Ziehtiefe; Werkzeugeinsatzhöhe Kompressibilitätsfaktor des Hydrauliköls Ziehverhältnis Differenz zwischen minimaler und maximaler Ausgangsblechdicke Dehnung Temperatur Reibwert Normalspannung Fließspannung Radialspannung Tangentialspannung Schubspannung Schubspannung unter hydrostatischen Reibbedingungen Schubspannung an der metallischen Kontaktfläche Schubspannung im dünnen Schmierfilm Umformgrad Hauptumformgrad Umformgrad in Normalrichtung Umformgrad (radial) Umformgrad (tangential)
Stichwortverzeichnis
3D-CAD-Volumenmodell 188 3D-Freiformbiegen 70 3D-Koordinaten 152 3D-Oberflächenform 152 A/D-Wandler 157 ABAQUS 142, 143 Abdichten 20, 64, 65, 73, 74, 91, 104, 134, 174, 176, 179, 181, 199, 206, 232 Abdichtkante 130 Abdichtsystem 69 Abformgenauigkeit 41, 44, 45, 148 Abgasteil 84 Ablaufdiagramm 204, 205 Ablaufsteuerung 248, 259 Abrasion 164 Abrollstreckbiegen 68 räumliches 68 Abscheiden von flüssigen Verunreinigungen 240 Abschneiden 129 Abstimmplatte 164, 165, 167, 197 Abstrecken 45, 98 Aktive Hydromec-Verfahren 108 Aktivteil 163, 164, 166, 169 Segmente 164 Aluminium 47, 121 Legierung 47, 49, 50, 119, 121, 190 Andocken 53, 54, 88, 179, 237 Andocksystem 131, 135, 172, 232 für Hydro-Umformwerkzeuge bei der Umformung von Rohren und Profilen 173
für Hydro-Umformwerkzeuge beim Umformen von Blechen 176 im Flanschbereich 180 mit aufgesetztem Anschlussstutzen 179 mit eingelegtem Anschlussstutzen 178 mit Einlaufkanal 177 mit Ringkanal 178 mittels beweglicher Lanze 180 mittels Spaltmeißel 178 über eine Zwischenplatte 179 Anlage zur Aufbereitung des Wirkmediums 231 Anlagentechnik 279 Anschlussstutzen 178, 179 Anstauchen 65 Antriebsstrang 35 Anwendungspotenzial 9 Arbeitsdiagramm 80 Arbeitsdruck 41 Aufbereitungsanlage 234 Aufdicken 45, 200 Aufdickung 88, 113 Aufweiten 45, 54, 73, 96, 138, 151, 154, 183 Aufweitverhältnis 43 Aufweitzone 29 Aufweitung 43, 73, 75, 183 Ausbeulen 78 Ausdünnung 21, 91, 110, 112, 113 Ausgangsform 170 Ausknicken 23, 66, 69, 82, 199 Auslastung 271, 279 Auslegung 184 Bauteil 137, 274, 278
302
Stichwortverzeichnis
Blechumformprozesse 142 Hauptantrieb 216 hydraulische Komponenten 217 Hydro-Umformmaschine 206 Hydro-Umformwerkzeug 184 IHU-Werkzeug 168 tribologisches System 72 Werkzeug 21, 168, 213 Werkzeugteilung 170 Ziehteilkontur 117 Ausschnitte 101 AußenhochdruckBlechumformprozess 133 Außenhochdruck-Blechumformung 2, 15 Außenhochdruck-Umformung 106, 132, 252 mit Innendorn 76 Rohre und Profile 76 Auswerteeinheit 157 AutoForm 142, 144 Automatisierungsgrad 271 Automobilbau 35 Automotive-Bereich 2, 4, 10, 12 Axialachse 206, 243 Axialkraft 19, 66, 80, 82, 244 Axialstempel 15, 20, 64, 72, 78, 81, 200 Axialzylinder 78, 172, 206, 244 Bajonettverriegelung 221 Baugruppenkonzept 277 Bauteil 33, 38 Anzahl 274 Auslegung 278 Auswahl 266 Bauteilnetz 187 Design 33 Endeigenschaft 44 flächiges 59 Geometrie 33 Gestaltung 39, 267 Symmetrie 187 Bauteilvorformung integrale 65 lokale 65
Beanspruchung 164 Befüllen 77, 97, 204, 232 Belastung 181 Belastungssystem 181 Berechnungsmethode 184 Bersten 21, 24, 41, 154, 155 Beschickungsvorgang 269 Beschneiden 102, 129, 135 Biegen 15, 65, 130 Biegelinie 170, 172 Biegeumformung 66, 74 Biegezelle 271 Bildauswertung 152 Blech Blechdicke 60, 278 Umformsimulation 142 Zuschnitt 47, 59, 267, 278 Blindniet 135 Blockverriegelung 221 Bodenradius 101, 110 Bogen-an/in-Bogen-System 70 Bohren 191 Bohrschruppen 191 bonded blank 94 Bruchdehnung 41, 47, 48, 154 B-Säule 95, 108, 110, 171 CAD-Daten 191 CAD-Flächendaten 39 CAD-Solldaten 156 Computer Supported Cooperative Work (CSCW) 147 Dehnung 117 Dekompression 217, 226, 232 Dichten 99 Dichthilfsmittel 97 Dichtkante 130 Dichtstempel 73, 74, 199, 245 Dichtsystem 173, 206, 235 Diffusionsschicht 189 Dimensionierung 163, 184, 185, 199 Antriebe 252 Axialzylinder 244, 250 Druckkissen 228
Stichwortverzeichnis Druckübersetzer 235 kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung 219 Stößel 216 Werkzeugeinbauräume 213 Dom 29, 42, 78, 90, 139 Höhe 29, 42 Doppelplatine 34, 59, 93, 103, 130, 177 hydraulisches Tiefen 105 Hydroumformung 97, 134 lokal verschweißt 61 Umformung 16, 93, 104, 112, 177 Verarbeitung 60, 176, 200 verschweißt 60 Doppelteil 84, 112 Double-Ram-Press 229 Druckachse 206 Innendruckachse 230 Druckaufbaukurve 199, 200 Druckaufbauzeit 218 Druckaufnehmer 157 Druckbeständigkeit 29, 30 Druckerzeuger 19, 105, 234 Druckkissen 221, 225, 226 Dimensionierung 228 Druckregelung 232, 238 Druckspannung 16, 20, 72 axial 7 tangential 25, 26 Überlagerung 21, 72, 154 Druckstromerzeuger 231, 234 Drucktransmitter 157 Druckübersetzer 19, 78, 206, 231, 232, 235 Druckverlust 201 Druckwassersystem 4 Einfachplatine Umformung 16 Eingriffsbreite 191, 193, 195, 196 Einheit zur Endenbearbeitung 271 Einlaufkanal 177 Einlaufradius 98, 106 Einsatz 190
303
Einsätze 163 Einschnüren 24 Einschrittverfahren 142, 144 Einspeisepumpe 239 Einzelmaschine 203 Einzelplatine 59, 91, 104 Umformung 93 Einzelsystem 268 Einziehen 65 elastisch-plastisches Materialverhalten 142 Elastizitätsmodul 100 Elastomerelement 133 Elastomerkissen 133 Emulsion 17, 29, 270 Öl-in-Wasser 16, 17, 104 Wasser 234, 240, 241 Endausformung 62 Energieabsorption 123 engineered blank 94 Entnahmevorgang 269 Explosivumformung 5 Extensometer 150 Fahrwerk 35 Fahrzeugbau 35 Falten 21, 22, 26 Bildung 22, 26, 110, 117, 154, 251 Bildungsgefahr 160, 171 FastForm 142, 144 Fehler 153 Analyse 153 beim IHB 155 beim IHU 154 Erkennung 151 FehlermöglichkeitenEinflussanalyse 153 Fertigungsfehler 199 geometrische 246 Oberflächenfehler 152 Porenfehler 152 Schweißnahtfehler 152 Vermeidung 141, 145 Feinfilter 239 FEM
304
Stichwortverzeichnis
Modellierung 187 Programm 142, 143, 145, 186, 188 Prozesssimulation 108 Simulation 38, 39, 84, 112, 141, 158 Umformsimulation 186, 188 Fertigteil Genauigkeit 148 Geometrie 65 Fertigung Fertigungsaufgabe 271 Fertigungsbeispiele 265 Fertigungskonzept 265 Fertigungsmodul 271 Fertigungsnest 268 Fertigungssystem 2 Fertigungsungenauigkeit 103 Fertigungszelle 268, 271 Festigkeit 41, 47, 48, 61, 165 Filtration von Feststoffen 240 Finanzierungskonzept 279 Finite-Elemente Methode 141, 186 Simulation 168 Flächennetz 186 Flächenpressung 98, 102, 103, 175, 180, 188, 211 Flächensegment 187 Flansch 98, 103, 104, 176 Bereich 25, 45, 98, 103, 113, 130, 134, 177, 180 Breite 98, 104 Ebene 111 Einzug 112, 156 Fließspannung 5, 99 Fließweg 65 Flugzeugbau 50 Fluidaufbereitung 239 Flüssigkeit 5 Formabweichung 149 Formänderung 16, 21, 41, 43, 72, 91, 103, 104, 106, 108, 119, 164, 200 Formänderungsverteilung 41, 46 Formänderungszustand 38
Formänderungsverteilung 105, 149 Formeinsätze 148, 163, 166, 185 Formfüllungsgrad 65 Formgenauigkeit 92, 118, 133 Formhaltigkeit 149 Formkasten 167 Formliniengenauigkeit 148 formschlüssige Zuhaltung mit Hilfe mechanischer Verriegelung 213 Formstempel 92 Frames 229 Fräsen 191 freie Zyklusprogrammierung 261 Fügen 94, 134 Führungsgröße 159, 256 Füllphase 130 Füllposition 238, 248 Füllpumpe 238, 245 Füllsystem 16, 206, 237, 238, 270 Füllventil 216 Funktionsintegration 36, 166, 274 Funktionsoptimierung 44 Funktionsteil 163 Fuzzy-Logic 159 Gas 5 Gebrauchswerteigenschaft 44, 47, 90 Gefüge 46, 123 Gegenhalterkraft 82 Genauigkeitsbewertung 147 Gesenkformen 65 Gesetz von Pascal 234 Gleichmaßdehnung 21, 47, 151 granulierter Feststoff 5 Gravur 111 Gravurtiefe 185, 192 Grenzformänderungsdiagramm (FLD) 47 Grenzformspannungsdiagramm (FLSD) 47 Grenzwert 157 Grundbeölung 54 Grundblech 57, 61, 94, 95, 278 Grundblock 163 Grundwerkzeug 201
Stichwortverzeichnis Guss 166 Gutteilfenster 80 Halbzeug 33, 40, 60, 62 Bereitstellung 271 Einsatz 46 Flachhalbzeug 59 Geometrie 65 Kosten 166, 267 Prüfung 151 Handling-Einrichtung 271 Handlingsystem 269 Härte 151, 164, 165, 169, 189 Hauptform 64, 65 Hauptformgebungsprozess 71, 96, 133 Hauptfunktionen einer Maschine zur Hydro-Umformung 204 Hauptpumpe 218 Hauptumformung 55 Hauptzylinder 216, 218 HexaBend 70 HFA-Flüssigkeit 17, 104, 231, 239 Hinterschneidung 139 Hochbehälter 216, 225, 226 Hochdruck-Blechumformung 1, 15 Hochdruckflüssigkeit 98 Hochdruckleitung 105 Hochdruckmedium 30, 120, 139, 173 Hubzahl 209 Hydro-Blechumformung 2, 51, 90, 176, 251 Hydroclinchen 138 Hydromec-Verfahren 107 Hydropumpe 19, 234 Hydrostanznieten 138 Hydrostatik 5 hydrostatische Kraftübertragung 4 Hydro-Umformprozess 19, 119, 265 Integration 265 Hydro-Umformung 1 Dichtsysteme 173 Planung 268 thermisch 118
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von Blechen 30, 59, 96, 160, 198, 200 von Rohren 48, 160 von Rohren und Profilen 64, 198 Hydro-Umformwerkzeug 58, 165, 184, 190, 269 Einarbeitung 198 Inbetriebnahme 198 Hydroumform-Werkzeugsystem 269 ICEM-STAMP 142, 144 IHB-Prozess 94, 97, 201 IHB-Werkzeug 111, 117 IHU-Bauteil 33, 84 IHU-Strukturbauteil 89 INDEED 142, 144 Industrie-PC 157, 257, 259 Innendruck 38, 78, 80, 103 Innendruckachse 256, 259, 261 Innenhochdruck-Aufweiten 73 Innenhochdruck-Aufweitstauchen 72 Innenhochdruck-Biegen 74 Innenhochdruck-Blechumformen 24, 108, 130, 206 InnenhochdruckBlechumformprozess 94, 97 Innenhochdruck-Blechumformung 15, 63, 96, 116, 177 Innenhochdruck-Durchsetzen 75 Innenhochdruck-Kalibrieren 74 Innenhochdruck-Lochen 126 Innenhochdruck-Umformen 2, 15, 71, 158 Innenhochdruck-Umformung 1, 64, 84, 149, 206 Instabilität 91 Investitionsvolumen 270 Isofläche 147 ISO-PUNCH 142, 144 Ist-Prozessdaten 156 ITAS3D 142 Kalibrierdruck 19, 74, 81 Kalibrieren 16, 20, 74, 78, 81, 98
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Stichwortverzeichnis
Kalibrierphase 130, 149 Kaltaushärten 51 Karosserie 36 kathodische Tauchlackierung 96 Kennwert 151 Ermittlung 151 kinematische Gestalterzeugung 69 Kleben 58, 96 Klebschicht 95 Klimabranche 48 Knicken 23, 41, 54, 80, 154 Knicklänge 41, 43 Konsolen-Bauweise 246 Kontaktdruckverteilung 183 Kontaktfläche 27, 103, 169 Kontaktkraft 187 Kontaktnormalspannung 28 Kontaktzone 28 Konturteilung 117 Konzentrat 241 Konzeptstudie 278 Konzeptvergleich 276 Kopfstück 215, 220 Korrosion 54 Korrosionsbeständigkeit 50 Kraftmessdose 150 Kraftstoffbehälter 115 Krümmen 71 Krümmungsradius 43 Kühler 240 Kupfer 48, 52 Längenmessung 150 Lanze 180 Laserschweißen 54, 56, 61, 95, 134 Lasertechnik 153 Laser-Triangulation 160 Leckage 18, 104, 127, 201, 254 Lichtschnittverfahren 152 Lieferzustand 49 Lochen 99, 126 Lochungen 101 Lösungsglühen 50 LS-DYNA 142, 143, 144 Machbarkeitsanalyse 39, 102, 112, 266
Magnesium 119 Legierung 51, 118 MARC 142 Marktpotenzial 11 Maschinenbau 50, 125 Maßabweichung 148, 165 Masseverteilung 64 Maßgenauigkeit 92, 118, 133, 149 Maßhaltigkeit 148, 149, 202 Maßtoleranz 149 Maßvorgabe 148 Masterkurve 160 Material Anhäufung 64 Einsparung 267 Kosten 267 Reserve 102 Reservetasche 102 Stau 113 Matrize 71, 91, 93, 106, 131 elastisch 69 Schneidmatrize 127, 128 Ziehmatrize 106 mechanische Eigenschaften 46 Medienaufbereitung 234 Medientrennung 235 Medium 172 mehrachsige Regler-Baugruppe 258 Mehrfach Anordnungen 229 Mehrfachkurventechnik 70 Mehrfachteil 268, 273 Mehrpunktziehtechnik 45, 102 Messing 48, 86 Legierung 52 Messmaschine 153 Messort 155 Messposition 153 Messpunktdichte 153 Messschrieb 183 Messstation 271 Messsystem 153 Messtechnik 150 Messverfahren 152, 153, 156 Metallschaum 121 Anwendungspotenziale im Automobilbau 124
Stichwortverzeichnis Herstellung 122 in Hydro-Umformteilen 121 Mikroorganismen 242 Mindestquerschnitt 186 Mindestwanddicke 38 Mischreibung 27 Monoblock 167 Monoblockbauweise 163 Montageschnittstelle 275 Motion-Control-Steuerung 259 Motorhaube 62, 96, 120 Motorrad 63, 115 Multi-Frame-Architekturen 229 Nachrüstbausatz 218 Nachschiebebereich 28, 42, 72, 164, 200 Nachschiebekraft 172, 184 Nachschieben 16, 66, 74, 78, 83, 156, 206, 248 axiales 41, 43, 90, 154, 165 von Werkstoff 20, 21, 22, 72, 73, 76, 164, 243, 266 Nebenform 64 Nebenformelement 33, 42, 62, 84, 131, 172, 243 Niederhalter 93, 102, 251 Niederhalterkraft 102, 160 Nockenwelle gebaute IHU-Nockenwelle 88, 137 Leichtbau-Nockenwelle 89 Non-Automotive-Bereich 2, 12 numerische Modellierung 138 Oberfläche 38, 150, 153, 202 Oberflächenform 153 Oberflächenkontur 153 Oberflächenqualität 38, 190 Oberflächentopographie 27 Oberflächenvergrößerung 28, 104 offene NC-Steuerung 259 OPTRIS 142 Ovalisierung 67 P/I-Regler 160
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PAM-CRASH 143 PAM-STAMP 86, 142, 144 parallelkinematischer Antrieb 70 Parameter 207 geometrische 185 handlingbezogene 209 maschinennahe 209 Produktivitätsparameter 209 werkzeugnahe 208 Patch 58 Patchblech 57, 61, 95 Patch-Struktur 58 Patchwork-Struktur 46, 61, 94 Patchwork-Technik 57, 60 Personalkosten 267 Photogrammetrie 152 pH-Wert 19, 241 Pinolenkraft 160, 254 Planung von HydroUmformprozessen 265 Planungsbeispiel 276 Plastifizierung 68, 91, 149, 178, 266 plastische Anfangsanisotropie 142 Platine 26, 59, 171, 177, 251 gefügt 59, 94 Platinenpaar 105 Platinenzuschnitt 104, 110 Polymerschmelze 19 Postprocessing 145, 147 Powerwall 146 Prägefeld 110 Präzisionsstahlrohr 48 Presse hydraulische 149, 214, 270 Prinzip des InnenhochdruckUmformens 15 Produktivität 84, 273 Produktqualität 155 Profil 21, 52, 198 gefügt 56 Profilbiegen 69 Profil-Programmierung 261 Programmsysteme 142 Projektabwicklung 39
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Stichwortverzeichnis
projizierte Fläche 20, 83, 100, 208, 211 PRONTO 143 Prototyp 275 Prototypbereich 276 Prozess Analyse 266 Anpassung 270 Auslegung 68, 142, 265, 272, 275 Beschreibung 272 Fehler 158 Fenster 80, 149 Gestaltung 33 Monitoring 152, 155 Optimierung 141, 272 Parameter 80, 97, 99, 103, 149 Parametersteuerung 149 Prozessgröße 99, 157 Regelsystem 158 Regelung 159 Sicherheit 273 Simulation 141 Steuerung 45, 159 Verkürzung 268 Zeit 137, 268 Prozesskette 2, 64, 278 Auslegung 64 Prozesslösung 84, 108 Prüfgeschwindigkeit 152 Prüfsicherheit 152 Prüfstation 271 Prüftechnik 150 Prüfverfahren 150 Pufferstation 271 pulvermetallurgische Verfahren 123 Qualität 148 Qualitätsbewertung 152 Qualitätsmanagement 153 Qualitätsmerkmal 150 Qualitätsschwankung 149 Qualitätssicherung 147, 153, 156 Querschnitt 43 Querschnittsänderung 55 Querschnittsdeformation 67
Querschnittsformen 65 Querschnittsgenauigkeit 148 Querschnittsunterschied 54 Querschnittsvorbildung 64 Radialachse 243 Radialzylinder 172 Radien 41, 45, 47, 101, 129 Biegeradien 67, 70, 153 Raster 152 Rauheit 150 Regelabweichung 160 Regelkraft 160 Regelstrecke 158, 160 Regelung 256 ablösende 256 Druckregelung 256 Kraftregelung 256 Lageregelung 256 Reibkraft 189 Reibpartner 27 Reißer 22 Relativbewegung 97 Reproduzierbarkeit 148 Restformänderungsvermögen 148 Ringkanal 178 Roboter 271 Rohr 21, 52, 198 abgesetzt 55 Doppelwandrohr 52 gefügt 56 konisch 54 kreisrund 33 Rohrabschnitt 57, 58 Rohrlänge 40 Rohrstück 52, 88 Rohrverarbeitung 47 Rohrverbindungsstück 52 Rohteilschruppen 192 rotatorisches Pressbiegen 66 rotatorisches Zugbiegen 66 Rückfederung 67, 131, 145 Rückförderung 234 Rückzugsgeschwindigkeit 209 Rundhämmern 46 Rundkneten 46, 55
Stichwortverzeichnis Rundschmieden 55 Sanitärbereich 52 Sanitärbranche 48 Schadensanalyse 153 Scharnierverstärkung 112 Schichten 190 Schieber 190 Schließebene 113, 172 Schließgeschwindigkeit 209, 216, 225 Schließhub 209 Schließkraft 19, 20, 24, 83, 99, 100, 103, 185, 211 Aufbau 217, 226 Schließkraftverlauf 217 Schließposition 221 Schließzylinder 221, 225, 228 Dimensionierung 228 schmelzmetallurgische Verfahren 122 Schmiereinrichtung 271 Schmiermittel 27, 104, 189 Schmierung 54, 104, 241 Schmierwirkung 30 Schmutzaufnahmekapazität 240 Schneiden 126, 129 Schneidring 127, 128 Schneidstempel 127 Schnittkantenlänge 101 Schnitttiefe 192 Schub-Umformung 75 Schwachstellenanalyse 188 Schweißen 135 Schweißnaht 62, 151 Schwenkbiegen 66 Schwenkbiegevariante 66 Seitenständer 216, 221 Sensor 153, 157, 160, 248 Druck 155 Kraftsensor 155, 249 Signal 157 Signalverarbeitung 157 Tiefensensor 157 Sensorik 155 Seriencharakter 265
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Serienteil 275 Sicherheitsfaktor 184 Sicherheitsschaltung 217, 226 Sicken 65, 111 Versteifungssicken 113 SIMEX2 142, 144 Simultaneous Engineering 39 SNAKE-Prinzip 168 Sollkurve 158 Sonderlösung 270 Space-Frame 89, 121, 124 Space-Frame-Bauweise 274 Spaltmeißel 178 Spannungsüberlagerung 47, 72 Spannungsverteilung 188 Axialspannungsverteilung 139 Vergleichsspannungsverteilung 188 Stadienfolge 90, 275 Stadienplanung 39 Stahl 48, 164 Baustahl 48 Edelstahl 41, 48, 86 Standmenge 164 statischer Druck 18 Steifigkeit 46, 61, 123 Beulsteifigkeit 91 Stempelfläche 173 Steuergröße 159 Steuerung Ablaufsteuerung 255 für Maschinen der HydroUmformung 255 Konzept 159, 266 Pressensteuerung 255 Prozessparameter 266 Sicherheitssteuerung 256 speicherprogrammierbare - (SPS) 257 Steuerungsarchitektur 257 Störgröße 159 Störung systematische 155 zufällige 155 Stößel 216, 221 Blechhalterstößel 251
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Stichwortverzeichnis
verriegelt 219 Strangpressen 71 Strangpressprofil 52, 86 Streckbiegen 68 Streckformen 65 Strukturrohr 77 Stückzahl 265 Stückzeiten 267 Stützdruck 75 Symmetrieebene 84, 273 tailored blank 46, 60, 278 tailored tube 46, 56 tailored welded blank 94 tailored welded tube 56, 94 Tangentialstreckbiegen 68 technische Machbarkeit 265 Technologiekette 265 Teilungsebene 26, 169, 197, 211 Temperierungsanlage 120 T-Fitting 48 Theorie der Plastizität 142 Tiefen hydraulisch 92, 104, 131, 133 mechanisch 104, 131 Tiefziehen 130 aktives hydromechanisches (aktives Hydromec) 91, 108 hydraulisches 91, 106, 108 hydromechanisches 5, 7, 106, 133, 209 Tiefziehteil 63 Tisch 215, 220 Durchbiegung 209 Fläche 208 Toleranz 53, 148 der Platinendicke 98 Maßtoleranz 74 Toleranzbereich 53 Tracer-Darstellung 147 Transportwesen 50 Trendanalyse 157 Trennebene 126, 140, 179, 201 Trennfläche 54 Tribologie 27, 98, 104 Trockenschmierstoff 29, 197
Tryout 83, 197 tubular blank 94 Turn-Key-Lösung 2 Tuschieren 198 Tuschierpaste 200 Übergabehöhe 209 Übergangszone 28 Überwachungssystem 155 Ultraschall 152 Umformeignung 46 Umformgrenzen Erweiterung 118 Verschiebung 16 Umformrichtung 91 Umformstufen 62, 141 Umformung 71 plastische 18, 91, 133 thermische 52 Umformvermögen 47, 55, 97, 118, 151 Umformwege 47 Umformzelle 271 Umformzone 28, 72, 96, 111, 273 Variantenuntersuchung 84, 273 Vektorfeld 147 Verbindung formschlüssig 139 kraftschlüssig 139 Verfahren ohne Vorloch 135 Verfahrensintegration 126, 134 Verfahrensparameter 23, 149 Verfahrensprinzip InnenhochdruckUmformung 16 Verfahrensspezifik Hydro-Umformung 40 Innenhochdruck-Umformung 15 Verfahrensvarianten 65, 71, 104 Verfestigung 55 Kaltverfestigung 47, 148 Verfestigungsmechanismen 142 Verfestigungsverhalten 47 Verfestigungszustand 38 Vorverfestigung 47
Stichwortverzeichnis Work-Hardening-Effekt 47 Verfügbarkeit 266, 271 verkettete Maschine 203 Verriegelungsantrieb 221 Verriegelungsmechanismus 221 Versagenserscheinungen 141 Versagensfall Bersten 21, 158 Bildung von Falten 21 Knicken 21 Reißen 98 Versagensgrenze 21, 40, 47 Versagenskurve 160 Versatz 198 Verstärkungsblech 94 Verteilerbalken 86 Vielfachteil 268 Viertel-Modell 187 Virtuelle Realität (VR) 145 Visualisierung der Prozessparameter 157 Prozessvisualisierung 263 von Berechnungsergebnissen 145 Visualisierungs- und Bediensystem 256, 260 Volumennetz 188 Vorbiegen 47, 62, 171 Vorbiegeoperation 47 Vorform 24, 26, 30, 63, 64 Vorformen 64, 90 Vorformgebung 24, 45, 70, 130 Vorformgeometrie 23, 64, 65 Vorformkraft 209 Vorformoperation 22, 40, 47, 64, 145, 212 Vorformprozess 216, 225 Vorformtechnologie 55 Vorformung 55, 65, 93 Vorformzelle 271 Vorfüllpumpe 232, 237 Vorfüllsystem 231, 237 Vorschubgeschwindigkeit 192 Wandaufdickung 64, 78 partiell 65 Wanddicke 45, 53
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Abnahme 29 Reduzierung 97, 117 Toleranz 149 Veränderung 46 Verteilung 65, 87 Zunahme 29 Wärmebehandlung 50, 164, 168, 201 Verfahren 168 Zustand 50 Waschanlage 271 Wasseraufbereitung 206 Wasserkasten 91, 108 Wegaufnehmer 157 Wegsignal 160 Wehrtechnik 50 Weichglühen 50 Welle 48 Wendeschneidplattenform 192 Werkstoff Ausnutzung 273 Auswahl 52, 276 Bedarf 273 Eigenschaft 148, 168 Kennwert 150 Versagen 64 Werkstoffe für die HydroUmformung 46 Werkstofffluss 22, 24, 42, 45, 97, 111 Zusammenhalt 102 Werkstofffluss 92 Werkzeug Aktivteilfläche 39 Aktivteil-Segmentierung 117 Dichtfläche 92, 97 Einbauhöhe 208, 221 Einfahren 198 entriegeln 226 Füllvolumen 208 Geometrie 192, 196 Gravur 25, 65, 96, 163, 190 Grundkörper 148, 164, 190 Innendruck 208, 210 Konzept 163, 266 Lebensdauer 202, 211
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Stichwortverzeichnis
Oberteil 200 öffnen 217, 226 Öffnungskraft 208, 211 schließen 216, 225 Segmentierung 163, 187, 201 Teilung 170 Tragverhalten 198 Unterteil 200 verriegeln 226 Verschleiß 30 Werkstoffe 165 Werkzeugbau 50 Werkzeugnetz 187 Werkzeug- und Anlagenkosten 267 Werkzeugerprobung 197 Werkzeugprüfung 196 Wertschöpfung 267 Wirbelstrom 152 Prüfung 152 wirkmedienbasierte Blechumformung 8 Wirkmedium 17, 106, 128, 159, 245, 270 erwärmtes 119 flüssig 96, 104, 106 Wirtschaftlichkeitsanalyse 267 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 267 Wölbstrukturen 76 Workbench 146 Zähigkeit 164, 168 Zarge 26, 103, 130 Zargenbereich 101, 132
Zeitfenster Handling 209 Zentrumsschneide 192 Ziehkissen 253 Vielpunkt-Ziehkissen 253 Ziehring 251 Ziehverhältnis 24, 104 Zuganker-Bauweise 246 Zug-Druck-Umformung 72 Zugfestigkeit 99 Zugspannung 58, 68, 72, 73, 78, 117, 200 Zug-Umformung 73 Zuhalteeinrichtung 206, 210, 212 doppeltwirkend 251, 252 doppeltwirkend formschlüssig 252 einfachwirkend 253 formschlüssig 219, 252 Gestaltungsvarianten 213 kraftschlüssig 214, 251 Schließeinheit 209 Zuhaltekraft 101, 209 Zuhaltung kraftschlüssig 213 Zusatzkonzentrat 18 Zuschnitt 40, 144 Zuschnittsplatine 200 Zwischenform 62 Zwischenglühen 47 Zwischenplatte 179 Zwischenschicht 27 Zykluszeit 209, 229, 237, 271, 279
