Biegeumformen Flexible Werkzeugsysteme bringen Tailored Tubes in die richtige Form

Die Komplexität von Automobilstrukturkomponenten und Leichtbauanforderungen verlangen heutzutage die Entwicklung und den industriellen Einsatz neuer Umformverfahren, Halbzeuge und Werkstoffe für die Fertigung von Blech- und Profilprodukten vor allem aus Stahl. Typische Beispiele im Bereich der Halbzeuge sind unter anderem Tailored Blanks und Tailored Tubes.

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IUL Institut für Umformtechnik TU Dortmund

Die Umformung von Halbzeuge zu fertigen Produkten mit verbesserten Eigenschaften stellt eine hohe Herausforderung für die Umformtechnik dar. Eine erfolgreiche Umformung macht den Einsatz von angepassten Um-formstrategien sowie neuen Werkzeugen erforderlich.

Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der Universität Dortmund entwickelt Werkzeuge

Zum Biegen von Tailored Blanks (TRBs) im Freibiegeprozess und Tailored Tubes (TRTs) im Profilbiegeprozess wurden im Rahmen von Forschungsprojekten am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der Universität Dortmund in Zusammenarbeit mit mehreren Industriepartnern flexible Biegewerkzeuge entwickelt und erfolgreich getestet.

Die Werkzeuge basieren auf dem Rapid-Tooling-Prinzip und sind schnell und kostengünstig zu fertigen. Diese Projekte wurden von der Fosta (Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.) gefördert.

Lamellenwerkzeuge bieten eine hohe Flexibilität

Im Hinblick auf die seitens der Industrie geforderte Form- und Maßgenauigkeit beim Biegen von TRBs wurde in Anlehnung an Rapid-Tooling-Strategien am IUL ein Werkzeugkonzept auf Basis einer Lamellierung (Bild 1) entwickelt. Das Werkzeugsystem erlaubt im Vergleich zu konventionellen Werkzeugen eine hohe Flexibilität und kurze Handhabungszeit bei der Einstellung von nichtlinearen Werkzeuggeometrien im Bereich des Blechdicken-übergangs der TRBs.

Bild 2 zeigt den hergestellten Werkzeugprototyp zur flexiblen Einstellung nichtlinearer Wirkgeometrien im Bereich des rampenförmigen Blechdickenübergangs. Die eigentliche Kennlinie wird durch eine Bombierplatte eingestellt, die unter den Blechlamellen angeordnet ist.

Unter der Bombierplatte sind gleichmäßig über die Länge des Werkzeugsegmentes von 200 mm verteilt mehrere quaderförmige Stellelemente angeordnet, die durch Unterlegfolien in der Höhe verstellt werden können. Mit den in nahezu beliebiger Abstufung erhältlichen Unterlegfolien können somit innerhalb einer Verstellhöhe von zirka 6 mm praktisch beliebige konkave, lineare oder konvexe Biegelinien der Bombierplatte eingestellt werden. Über die Blechlamellen wird die solcherart eingestellte Kennlinie dann als Werkzeugwirkgeometrie auf das Werkstück übertragen.

Zentrale Elemente dieses Werkzeugsegmentes stellen die Blechlamellen dar, die letztendlich die Reaktionskräfte auf das Werkstück übertragen müssen. Um Beschädigungen dieser Lamellen zu vermeiden beziehungsweise in Grenzen zu halten, wurde ein Material verwendet, das wesentlich fester und härter ist als die zu biegenden Materialien (wie beispielsweise Edelstahl X5CrNi1810). In dem vorliegenden Fall wurde der Werkstoff C 67 gewählt.

Weiterhin sollten diese Lamellen so dünn wie möglich sein, damit eine feinstufige Einstellung der Kennlinie erzielt werden kann. Auf der anderen Seite müssen sie aber die auftretenden Stempelkräfte aufnehmen können. Als guter Kompromiss zwischen Feinheit der Stufung und Festigkeitsansprüchen haben sich in der Praxis bei Rapid-Tooling-Werkzeugsystemen für Freiformflächen Lamellen mit 1 mm Blechdicke erwiesen, die auch hier eingesetzt wurden.

Laserschneidverfahren zur Lamellenherstellung

Die Lamellen können schnell und hochflexibel mittels des Laserschneidverfahrens hergestellt werden. Um ein Verkippen der Lamellen zu vermeiden, wurden diese bei dem Werkzeugprototypen mit Hilfe von Gewindestangen gesichert. Ein leichtes Verkippen der Lamellen konnte dadurch jedoch nicht vermieden werden. Das Werkzeugsegment wurde als Kassette konzipiert, die im Rampenbereich zwischen den konventionellen Gesenkelementen in die Matrizenaufnahme eingesetzt und so in das Gesamtwerkzeug integriert werden kann.

Zur Untersuchung des Einflusses nichtlinearer Werkzeugwirkgeometrien auf den Biegewinkelverlauf wurden verschiedene Versuchsreihen an geglühtem und walzhartem Edelstahl durchgeführt. Bild 3 zeigt exemplarisch mit dem Werkzeugprototypen erzielte Ergebnisse für den Werkstoff X5CrNi1810. In den Darstellungen ist deutlich der Einfluss der Kennlinienform auf den Biegewinkelverlauf im Bereich der Rampe zu erkennen.

Sowohl bei dem geglühten als auch bei dem walzharten Material bewirkt eine Verschiebung der Kennlinienform von linear zu überlinear einen deutlichen Anstieg im Biegewinkelverlauf. Eine unterlineare Kennlinie hingegen führt zu einer entsprechend niedrigeren Ausprägung. In den dargestellten Fällen dürfte die optimale Kennlinie in Nähe der leicht überlinearen Werkzeugwirkgeometrie angesiedelt sein.

Die Untersuchungen mit dem flexiblen Werkzeugsegment zeigten, dass es prinzipiell möglich ist, mit Hilfe dieses Werkzeugkonzeptes beim Freibiegen auch im Bereich der Rampe, die durch starke lokale Änderungen der Blechdicke und vor allem der Materialeigenschaften geprägt ist, die effektive Werkzeuggeometrie so anzupassen, dass ein annähernd homogenes Ergebnis bezüglich des Biegewinkels erzielt wird. Die Einstellung der optimalen Kennlinie erfordert dabei ein iteratives Vorgehen und möglichst konstante Eigenschaften des Ausgangsmaterials.

Konstruktive Freiheitsgrade mit Rohren und Profilen

Bei sehr hohen Anforderungen an die Form- und Maßgenauigkeit und sehr komplexen Halbzeugprofilen müsste für die gesamte Profilbreite und für jede Biegekante der jeweilige Werkzeugwirkquerschnitt auf die oben beschriebene Weise angepasst werden, um konstante Bauteileigenschaften zu erzielen. Dies ist jedoch mit einem relativ hohen Einstellungsaufwand verbunden, da falsch eingestellte Querschnitte die Nachbarquerschnitte beeinflussen können, sodass von Fall zu Fall zu entscheiden ist, ob die mit einem linearen Höhenausgleich erzielbare Genauigkeit für den jeweiligen Anwendungszweck nicht ausreicht.

Gebogene Rohre und Profile erschließen dem Konstrukteur einen Freiheitsgrad, den er beispielsweise für die Realisierung aerodynamisch günstiger Formen und für Leichtbauanforderungen nutzen kann. Dabei spielen neuartige Bauteile mit komplexen Querschnittsverläufen wie Tailored Tubes immer häufiger eine wichtige Rolle.

Für das Biegen derart komplexer Bauteile wurde am IUL ein Konzept zur schnellen und kostengünstigen Erstellung von Vor- und Kleinserienbiegewerkzeugen entwickelt und erfolgreich getestet. Dieses Werkzeugsystem besteht komplett aus schichtartig ineinander gefügten Blechsegmenten, die beispielsweise durch kostengünstige Verfahren wie Laserschneiden hergestellt werden können.

Die Biegekontur, welche in der Werkzeuggeometrie abgebildet wird, kommt durch einen lamellenartigen Aufbau zustande und erfordert keine Frästeile. Durch diesen interpolierenden Konturaufbau kann ein breites Bauteilspektrum abgebildet werden und variierenden Querschnittsverläufen von Biegeteilen kann ebenso Rechnung getragen werden wie komplexen Biegekonturen.

Mit verschiedenen Lösungen das Optimum erreicht

Das Konzept wurde am IUL mit zwei Prototypenwerkzeugen für unterschiedliche Biegekonturen und Profilhalbzeuge erfolgreich im Einsatz als Rundbiegewerkzeug auf einer Planscheibenmaschine getestet (Bild 4). Als erster Demonstrator diente ein Verbundbauteil (Tailored Welded Tube) mit einem extremen Durchmessersprung von 40 mm auf 60 mm in der Mitte. Das Werkzeug wurde mit dem Ziel ausgelegt, die neutrale Faser des Bauteils auf einen konstanten Radius zu biegen. Trotz der stark variierenden Biegeeigenschaften der unterschiedlichen Bereiche des Bauteils ist dies mit dem Werkzeug nach wenigen Versuchen bei gleichzeitigem Justieren der Lamellen gelungen (Bild 4a bis d).

Ein zweiter Prototyp hatte die Aufgabe, ein Bauteil mit verschiedenen Durchmessersprüngen auf eine Biegekontur zu bringen, welche einen relativ großen Radius von 1800 mm beinhaltet hat. Durch ein neuartiges Antriebskonzept (Bild 4f), bestehend aus einem Hohlradpaar, konnte der maximale Biegehalbmesser der Rundbiegemaschine erweitert werden und diese Kontur ebenfalls gefertigt werden.

Maximale Abweichungen auf Zehntelmillimeter reduziert

Die grobe Biegekontur des Werkzeugs wurde mit Hilfe halbanalytischer Berechnungen ausgelegt und durch die Feineinstellung des Werkzeugs konnten die maximalen Abweichungen auf den Zehntelmillimeterbereich reduziert werden. Nach diesen erfolgreichen Biegeversuchen, welche in verschiedenen Forschungsprojekten am IUL zum Einsatz kamen, wurde das Konzept von der Universität Dortmund zum Patent angemeldet.

Ein weiteres innovatives Konzept konnte im Bereich der Werkzeugtechnik für das Dreirollenbiegen von Profilen entwickelt und erprobt werden. Um Bauteile mit variablen Querschnittsverläufen über die Längsachse auch mit diesem Verfahren sicher verarbeiten zu können, ist es notwendig, die Führung der unterschiedlichen Profilquerschnitte während des Prozesses durch die Biegerollenkontur zu gewährleisten. Hier wurden spezielle Biegerollen getestet, welche aus Stahlkernen mit einer Polyurethanbeschichtung aufgebaut sind.

Für Rohrhalbzeuge mit variablen Durchmessern über die Längsachse haben sich hier V-Konturen, welche in die Elastomerbeschichtung eingedreht werden, bewährt. Die Gestaltung dieser V-Konturen wurde durch Simulationsrechnungen optimiert und durch eine entsprechende Zustellungsstrategie ist es beispielsweise möglich, Rohre und Profile mit variablen Querschnittsverläufen sicher zu biegen.

Ein weiteres Einsatzgebiet dieser neuartigen Biegerollen ist auch die Verwendung als Universalrollen für unterschiedliche Biegeaufgaben, welche die Verarbeitung vieler Profilquerschnitte ohne einen Werkzeugwechsel ermöglichen. Eine andere Anwendung dieser Elastomerbeschichtungen von Biegerollen ist die Verbesserung der Reibungsverhältnisse zwischen Biegerolle und Profilmaterial. Hier konnte innerhalb verschiedener Forschungsprojekte am IUL mit dünneren Beschichtungen ein verbessertes Schlupfverhalten bei gleichzeitigen geringeren Oberflächenbeschädigungen der Biegeteile erzielt werden. Dies machte sich vor allem bei Aluminiumbauteilen positiv bemerkbar.MM

Dipl.-Ing. Matthias Hermes ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Universität Dortmund, Dr.-Ing. Sami Chatti und Dipl.-Ing. Nader Ridane sind ebenfalls wissenschaftliche Mitarbeiter am selben Institut. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Matthias Hermes, Tel. (02 31) 7 55-26 69, matthias.hermes@iul.uni-dortmund.de

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