Hydraulik Präzise Druckregelung im Ventil verbessert hydromechanisches Tiefziehen

Voraussetzung für eine hohe Qualität beim hydromechanischen Tiefziehen ist eine präzise Druckregelung des Wirkmediums. Nötig ist ein Hydraulikventil, das den gesamten Druckarbeitsbereich abdeckt, insbesondere bei Ziehbeginn, um die Gegenwulstbildung positiv zu beeinflussen. Hier hilft ein Servoventil mit integrierter Druckregelung im Arbeitsbereich von 0 bis 200 bar und digitalem Feldbusanschluss.

Anbieter zum Thema

Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

technotrans SE

Mikron Switzerland AG, Division Tool

IFU Institut für Umformtechnik Universität Stuttgart

Moog GmbH

Der Antriebsspezialist Moog hat in Zusammenarbeit mit dem Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart ein Ventil für hydromechanische Tiefziehpressen entwickelt. Das Besondere daran ist eine integrierte Druckregelung, die für den gesamten Arbeitsbereich von 0 bis 200 bar ausgelegt ist und so für perfekte Produktqualität direkt aus der Presse sorgt.

Qualitätsanforderungen beim Tiefziehen sind hoch

Die Qualitätsanforderungen an die Tiefziehteile in der Metallumformung sind hoch. Daher müssen Verformungen, Risse, Falten und Unebenheiten, die bei herkömmlichen Prozessen immer wieder zu Ausschuss führen können, vermieden werden.

Die von Moog und dem IFU entwickelte Druckregelung bringt insbesondere Vorteile für Anwendungsbranchen, die tiefgezogene Blechteile in kleineren Stückzahlen benötigen – zum Beispiel im Prototypbau und in der Luftfahrtindustrie – oder schwer umformbare Blechwerkstoffe wie Aluminium- und Titanlegierungen verarbeiten. So nimmt dort die Komplexität der Ziehteilgeometrien immer mehr zu, wobei immer häufiger neue, hochfeste Blechwerkstoffe mit reduzierten Dicken verarbeitet werden.

Daraus ergeben sich immer höhere Anforderungen an den Tiefziehprozess. Die Tiefzieher müssen heutzutage prozessspezifische Merkmale wie hohe Streckgrenzen, niedrige Bruchdehnung, anderes Aufsprungverhalten und Kaltverfestigung beachten.

Übliche Proportionalventile mit zu hohem Minimaldruck für das Tiefziehen

Die Herstellung anspruchsvoller Teilegeometrien zeigt, dass ein zu Prozessbeginn hoher Minimaldruck der Proportional-Druckventile später zu Ausschuss führen kann. Der Grund dafür liegt in den Konstruktionsmerkmalen der Proportional-Druckventile. Daraus resultiert ein relativ hoher Minimaldruck, der nicht unterschritten werden kann, eine steigende Druckkennlinie über dem Volumenstrom sowie eine vergleichsweise große Hysterese (rund 3% des Endwerts).

Außerdem sind Proportionalventile für ungünstige hydraulische Kapazitäten optimiert. Sie sind relativ langsam, woraus sich große Überschwinger beim Einregeln von bis zu 30% des Maximaldrucks ergeben.

Beim hydromechanischen Tiefziehen wird in der Regel ein Hydraulikdruckmedium in einer Druckkammer verwendet, um das in die Druckkammer eintretende Blech fest an den Stempel zu pressen (Bild 1). Dadurch ist es möglich, höhere Kräfte in die Umformzone einzuleiten und folglich größere Ziehverhältnisse (größere Tiefziehhöhe) zu erzeugen als bei Verwendung hydraulischer Ziehkissen. Beim hydromechanischen Tiefziehen komplexer, konischer Bauteile entsteht jedoch ein Wulst entgegen der Ziehrichtung, der bei hohen Gegendrücken Ursache für den Versagensfall „Wulstbersten“ sein kann.

Wenn bei Ziehbeginn der Druck im Wirkmedium steigt, ist es möglich, dass dieser Gegenwulst im Ziehspalt ungewollte Falten und Texturen am Blechteil erzeugt – und sogar zum Reißen führt (Bild 2). Je nach Ziehteil ist die Wulstbildung im Werkzeug begrenzt. Wird der Druck bei Ziehbeginn auf den Wert „Null“ geregelt, lässt sich die Gegenwulstbildung sehr positiv beeinflussen und der Ziehprozess ohne Eingriff ins Werkzeug optimieren. Das erfordert eine genauere Druckregelung, selbst bei niedrigsten Drücken, damit Qualitätsprobleme beim hydromechanischen Tiefziehen beseitigt werden können.

Beginn des Tiefzieh-Prozesses wird gezielt geregelt

Bei der Entwicklung von Moog und IFU ist die komplette Druckregelung des Wirkmediums inklusive Drucksensor ins Ventil integriert. Die für wasserbasierte Flüssigkeiten geeignete Lösung ermöglicht eine präzise Regelung im gesamten Arbeitsbereich von 0 bis 200 bar (2900 psi). Dies ist besonders bei Ziehbeginn wichtig, um den Ziehprozess gezielt regeln zu können.

Mit dieser innovativen Lösung können selbst geometrisch kritische Tiefziehteile einwandfrei geformt werden. Das Werkzeug ermöglicht somit eine hohe und reproduzierbare Blechteilqualität. Das war bisher mit herkömmlichen Lösungen auf Basis von Proportional-Druckventilen nicht möglich.

Das Ventil ist als Digital Interface Valve (DIV) ausgeführt. Versuche zeigten, dass sich damit der Wirkmediendruck prozessgerecht regeln lässt (Bild 3). Für diese Ventilgeneration stehen heute schon alle gängigen Feldbusse wie Canbus, Profibus und Ether-CAT zur Verfügung. Die Möglichkeit, die Reglerstrukturen im Ventil auszuwählen und für die jeweilige Anwendung zu parametrieren, zeigt, dass eine so genannte Intelligenz im Ventil für diesen Bereich der Umformtechnik vorteilhaft ist.

Zur Anwendung kommen dabei die Servoventile D638 und D639 von Moog. Sie bieten eine leistungsfähige Regelung, die zur Verbesserung des Tiefziehprozesses erforderlich ist. So ermöglicht ein einziges Servoventil eine hochpräzise digitale Volumenstrom- und Druckregelung. Dadurch lässt sich der Hydraulikkreis vereinfachen. Über zahlreiche konfigurierbare Funktionen kann der Tiefzieher die Reglereigenschaften seiner spezifischen Anwendung anpassen.

Funktionen um Kraftregelung für Blechhalter erweiterbar

Auf diese Weise entsteht eine äußerst flexible, einfach zu bedienende Systemlösung, wenn die Gegenwulsthöhe als überlagerte Regelstruktur in den Druckregelprozess mit eingebunden wird. Die Erfahrungen mit hydraulischen Ziehapparaten können auch für die Druckregelung der Blechhaltezylinder (Niederhalter NH) genutzt werden. Der Funktionsumfang des hydromechanischen Tiefziehens lässt sich daher jederzeit um die Regelung der Blechhalterkraft erweitern, um Falten zu vermeiden und die Reibkraft zu reduzieren.

Für diese Tiefziehtechnik eröffnen sich Möglichkeiten in der Kombination aus segmentelastischem Blechhalter und Druckregelung mit dem Ziel, hohe, zuvor nicht erreichte Ziehtiefen bei komplexen Teilegeometrien zu ermöglichen.

Wird das konventionelle Tiefziehen auf einen hydromechanischen Prozess umgestellt, ändern sich Prozessabläufe. Zwar lassen sich einzelne Werkzeugteile bei beiden Prozessen verwenden, jedoch muss teilweise beim hydromechanischen Tiefziehen das Umformwerkzeug neu gestaltet und die Hydraulik mit Ventiltechnik neu aufgebaut werden.

Doch Vorteile wie hohe Formänderungen, große Ziehtiefen, gute Bauteilqualität, hohe Grenzziehverhältnisse und Einsparung von Umformstufen machen den hydromechanischen Prozess zu einem idealen Tiefziehverfahren – insbesondere bei der Herstellung kleiner und mittlerer Stückzahlen, bei schwer umformbaren Werkstoffen und bei komplizierten Bauteilformen. MM

Bernhardt Zervas ist Leiter Systemapplikation bei Moog Industrial in Böblingen. Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald ist Leiter des Instituts für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart

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