Umformtechnik Gleitend zur Form

Das Gleitziehbiegen als Alternative zur Herstellung belastungsangepasster Profile. Mit dem Gleitziehbiegen lassen sich auf effektive Art und Weise trägerförmige Kaltprofile herstellen. Beim...

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Mit dem Gleitziehbiegen lassen sich auf effektive Art und Weise trägerförmige Kaltprofile herstellen. Beim Gleitziehbiegen handelt es sich um ein Profilierverfahren, bei dem ein Blechzuschnitt mit Hilfe einer Zieheinrichtung durch formgebende Matrizen gezogen wird. Somit wird der Zuschnitt in die durch die Matrizen vorgegebene Profilgeometrie umgeformt.Die Forderung nach leichten und dabei hochbelastbaren Bauteilen in geringen Losgrößen (bedingt durch eine immer größere Formenvielfalt von Profilen) führte zu der Entwicklung, durch eine Werkzeugverstellung während des Umformvorgangs gleitziehgebogene Profile mit einer lokalen Querschnittsveränderung (belastungsangepasste Profile) her-zustellen. Weiterhin ermöglicht die flexible Gleitziehbiegetechnologie die Herstellung von Bauteilfamilien mit Hilfe eines Werkzeugsatzes.Großes Anwendungspotenzial bei kleinen LosgrößenDie Einsatzgebiete belastungsangepasster Profile erstrecken sich aufgrund der besonderen Eigenschaften vom konstruktiven Stahlbau im Bauwesen über den Flugzeugbau, Schienenfahrzeug- beziehungsweise Waggonbau bis hin zum Einsatz als Träger- und Seitenaufprallschutzelemente im Automobilbau.Das Ziehbiegen durch starre Matrizen ist seit längerem in der Produktionstechnik bekannt, wird aber relativ selten angewendet. Aufgrund des hohen Potenzials ist es in letzter Zeit näher untersucht und weiterentwickelt worden [2 bis 7].Das Gleitziehbiegen verfügt beispielsweise im Vergleich mit dem Walzprofilieren über ein großes Potenzial für die Prototypen-, Kleinserien- sowie Mittelserienproduktion. Dieses Potenzial resultiert aus den geringen Werkzeug- und Anlagenkosten sowie den kurzen Umrüstzeiten. Die Anlage ist konzipiert zur Herstellung von im Querschnitt variierten Profilen. Während des Ziehvorgangs ist es durch eine Verstellung der Matrizen möglich, das umgeformte Profil dem späteren Belastungsfall durch eine Geometrievariation anzupassen. Durch die Kombination des Werkstoffleichtbaus (Einsatz höherfester Materialien) und des Form- und Konzeptleichtbaus (variable, belastungsangepasste Profile) können mit dem flexiblen Verfahren Gleitziehbiegen völlig neue Anwendungsgebiete des Leichtbaus erschlossen werden. Es lassen sich auf kostengünstige Weise Prototypen und Kleinserien herstellen, die entweder direkt als Bauteil einsetzbar sind oder Ausgangsteile für weitere Umformoperationen wie beispielsweise eine anschließende Innenhochdruckumformung sein können.Die Geometrie der Werkzeuge wurde ausgehend von einer Ausgangsmatrizengeometrie iterativ optimiert. Diese Iterationen wurden mit Hilfe einesCAD-Systems durchgeführt. Da in vorhergehenden Untersuchungen gezeigt werden konnte, dass mit der FE-Simulation eine sehr gute Abbildung des Verfahrens Gleitziehbiegen möglich ist, wurden die CAD-Variationen durch begleitende Simulationsrechnungen verifiziert. Verschiedene Iterationsstadien wurden in der Praxis im Werkzeugsystem umgesetzt und es wurden experimentelle Versuche durchgeführt. Es konnte eine permanente Verbesserung der Bauteilqualität erreicht werden.Die Ausgangsmatrizengeometrie wurde in Anlehnung an die Profilierblume beim Walzprofilieren entwickelt. Im Einlaufbereich wird das ebene Blech geführt und durch die Werkzeugkonturen unter Beibehaltung eines über der gesamten Werkzeugaktivfläche gleichmäßigen Ziehspaltes zum Endteil gleitziehgebogen. Jedoch zeigte sich bei experimentellen Untersuchungen, dass diese Werkzeugform starke Randdehnungen im Zargenbereich des Profils verursachte. Starke geometrische Abweichungen des Profils in Form von Längswölbung und Faltenbildung im Zargenbereich waren die Folge.Eine optimierte Form der Werkzeuggeometrie stellt die reduzierte, abgeschrägte Matrize dar. Bei dieser Matrizengeometrie ist ein gleichmäßiger Ziehspalt mit einer Tiefe von zirka 10 mm im Zargen- und Bodenbereich vorhanden. Dadurch ist eine relativ kurze Kontaktzone und demzufolge auch eine geringe Reibung in der formgebenden Werkzeugkontur gegeben.Gleitziehbiegen erfordert eine optimale SchmierungDie Abschrägung der Innenteile der Matrize lässt eine sehr große Vorwölbung oder Wannenbildung des Bleches vor dem Werkzeugeinlauf zu. Dies führt im Gegensatz zur Ausgangsmatrizengeometrie zu einer Verminderung der in das Blechmaterial eingebrachten Randdehnungen im Zargenbereich.Innerhalb der durchgeführten experimentellen Untersuchungen wurden schwerpunktmäßig Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Schmiermittel durchgeführt. Diese Untersuchungen erweisen sich als sinnvoll, da es sich beim Gleitziehbiegen um ein stark reibungsbehaftetes Umformverfahren handelt.Während der Untersuchungen konnten speziell anhand der Untersuchungsergebnisse mit einer Aluminiumlegierung und Edelstahl detaillierte Aussagen zum Reibverhalten herausgestellt werden. In Versuchen mit der Aluminiumlegierung AA5182 (AlMg4,5Mn0,4) wurde besonders in den hoch belasteten Radienbereichen der Matrize ein starkes adhäsives Verhalten der Werkstoffpartner verzeichnet. Es kam zu starken Kaltaufschweißungen in den Radienbereichen der Matrize. Wie auch bei der Umformung von Aluminiumlegierungen kam es bei Versuchen mit dem Edelstahl 1.4301 (X5CrNi18-10) zu deutlichen Stick-Slip-Effekten und somit zu einem starken Anstieg des Kraftverlaufs. Der Einsatz auf die Werkstoffpaarung Werkzeug-Blechwerkstoff optimierter Schmierstoffe führte hier zu einer deutlichen Verbesserung der Umformeigenschaften, woran man klar die Bedeutung von speziell an Material und verfahrenstypischen Belastungen angepassten Schmierstoffen erkennen kann. Durch die Untersuchungen des Gleitziehbiegens wurden Grundlagen für die sichere Werkstück- und Prozessauslegung für dieses wenig verbreitete Profilierverfahren geschaffen. Dabei bildete die Ermittlung der Verfahrensgrenzen und der optimalen Verfahrensbedingungen beim Gleitziehbiegen den Schwerpunkt.Völlig neue Anwendungsgebiete für Kaltprofile beziehungsweise für das Gleitziehbiegen werden durch eine Weiterentwicklung des Verfahrens erschlossen. Durch variable Matrizen, die während des Ziehprozesses verstellbar sind, können reproduzierbar belastungsangepasste Profile hergestellt werden, die unterschiedliche Querschnitte über der Profillänge aufweisen.Literatur:[1]Bogojawlenskij, K. N., Neubauer, A., Ris, V. W.: Technologie der Fertigung von Leichtbauprofilen. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1979.[2] Doege, E., Mende, T., Ulbricht, V., Süße, D.: Gleitziehbiegen von belastungsangepassten Profilen. Vortrag zum EFB-Kolloquium 2000 „Fertigungsverfahren für den modernen Leichtbau“ am 22./23. Februar 2000 in Fellbach.[3] Doege, E., Mende, T., Ulbricht, V., Süße, D.: Gleitziehbiegen von belastungsangepassten Profilen. Vorträge und Poster zum 51. Berg- und Hüttenmännischen Tag in Freiberg / Freiberger Forschungsforum. Technische Universität Bergakademie Freiberg. Hrsg. D. Jahnke; R. Kawalla, - Freiberg: TU Bergakademie, 2000 (14. - 16. Juni 2000 in Freiberg in Freiberger Forschungshefte B 306 Werkstofftechnologie, S. 260 ff.).[4] Doege, E., Mütze, S., Ulbricht, V., Süße, D.:Gleitziehbiegen von belastungsangepassten Kaltprofilen aus Bandblech mit verstellbaren Matrizen. Forschungsbericht Nr. 161, EFB/AiF 2001.[5] Doege, E., Mütze, S., Ulbricht, V., Süße, D.:Gleitziehbiegen - eine Alternative zur Herstellung belastungsangepasster Trägerstrukturen. 3. Fachtagung Walzprofilieren am 25./26. September 2002 in Darmstadt, Tagungsband Vortrag 9, TU Darmstadt PtU 2002.[6] Doege, E., Mütze, S., Ulbricht, V., Süße, D.:Untersuchungen zur Herstellung von Leichtbauträgerstrukturen aus Tailored Blanks mittels Gleitziehbiegen. Forschungsbericht Nr. 210, EFB/AiF 2003.