Umformtechnik Kegelförmige Bauteile lassen sich flexibel schwenkbiegen

Autor / Redakteur: Wolfram Hochstrate, Bernd Engel, Peter Frohn et al. / Stéphane Itasse

Schwenkbiegen Kegelförmige Blechschalen finden breite Anwendung, sind aber oft nur in geringen Stückzahlen gefragt. Um die dafür notwendige Flexibilität beim Umformen zu erreichen, hat ein Forschungsvorhaben der Universität Siegen erstmals definierte konische Blechschalen durch Schwenkbiegen gefertigt.

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Bild 1: Vollhydraulische, automatisierte Schwenkbiegemaschine vom Typ SBM3000X6 der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien.
Bild 1: Vollhydraulische, automatisierte Schwenkbiegemaschine vom Typ SBM3000X6 der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien.
(Bild: Joerg Fruck)
  • Für die Produktion von Blechkegeln sind Verfahren wie Tiefziehen, Projizierstreckdrücken oder Walzrunden angesichts der kleinen Losgrößen in der Praxis zu unflexibel.
  • Ein Forschungsprojekt erarbeitet erstmals ein Prozessmodell zum Schwenkbiegen definierter Kegel, das versuchs- und materialintensive Tryouts erspart.
  • Der Blechzuschnitt entspricht einem Kegelmantel und wird mit einer eigens entwickelten Vorschubkinematik zugeführt.
  • Die notwendige Schrägstellung der Schwenkbiegewerkzeuge liegt im Bereich weniger Grad.

Konische Blechbauteile können mit verschiedenen Metallumformverfahren hergestellt werden. Tiefziehen und Projizierstreckdrücken bieten eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei vergleichsweise einfacher Prozessführung, da die herzustellende Geometrie bereits in Form einer Matrize vorgehalten wird. Diese gestaltgebundenen Verfahren sind gegenüber variablen Kegelgeometrien jedoch unflexibel, da für unterschiedliche Kegel je ein anderer Werkzeugsatz benötigt wird. Mittels Walzbiegen auf Dreiwalzen-Rundmaschinen können konische Blechbauteile flexibel über die Verfahrensparameter hergestellt werden [1]. Die Radien sind jedoch in ihrem Mindestmaß an den Durchmesser der Biegewalze gebunden.

Schwenkbiegen ermöglicht weitere Bauteilmerkmale ohne Werkzeugwechsel

Das Schwenkbiegeverfahren kann mit einer sequenziellen Betriebsweise, zur hochflexiblen Fertigung von Blechkegeln eingesetzt werden. Dadurch eröffnet sich auch die Möglichkeit, die konisch gebogenen Konturen auf der eingesetzten Schwenkbiegemaschine (Bild 1) mit weiteren geometrischen Bauteilmerkmalen, wie etwa scharfen Biegekanten und Falzen, zu versehen, ohne dass ein Werkzeugwechsel nötig ist.

Da der Einsatz formgebundener Werkzeuge nicht erforderlich ist, kann das Schwenkbiegen zur Herstellung geometrisch variabler Kegel flexibel angewandt werden. Diese Fertigungsflexibilität wird im Allgemeinen entsprechend VDI 3430 den kinematischen Umformverfahren zugeschrieben [2], [3]. Nach DIN 8586 erfolgt beim Schwenkbiegen die Gestalterzeugung im Wesentlichen durch eine drehende Werkzeugbewegung.

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Im Gegensatz zum Walzrunden, siehe [4], existieren für das Schwenkbiegen bisher keine Prozessmodelle, mit denen die erforderlichen Prozessparameter für definierte Kegel ausgelegt werden können. Das Schwenkbiegen von konischen Blechschalen ist bisher anhand einer sehr versuchs- und materialintensiven Fertigung im Tryout-Betrieb erfolgt, in der die Maschinenbedienererfahrung einen zentralen Stellenwert einnahm. Die geometrisch-umformtechnische Ableitung der relevanten sequenziellen Parameter der sich abwechselnden Biege- und Vorschubschritte war bis dato nicht möglich. Der Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen entwickelt in einem Verbundprojekt mit dem Unternehmen Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien GmbH ein kinematisches Prozessmodell zum Schwenkbiegen geometrisch bestimmter Kegel.

Prozessmodell für das Schwenkbiegen von Kegeln

In einem sequenziellen Verfahrensablauf lassen sich neben konventionellen Abkantungen auf der Schwenkbiegemaschine auch Zylinder- und Kegelschalen herstellen. Bei einem Kegelstumpf sind die Radien vom Grund- und Deckkreis im Zusammenhang mit der Höhe sowie dem Öffnungswinkel die entscheidenden geometrischen Faktoren. Zunächst wird die kreisförmige Kontur des Kegels auf eine Vieleckform mit abgerundeten Kanten zurückgeführt, die sich infolge der gewählten Anzahl der Biegeschritte ergibt.

Aufgrund der kreisförmigen Abwicklungen konischer Bauteile resultiert eine zirkuläre Maschinenkinematik beim Schwenkbiegen konischer Blechteile: Dabei wird der Maschine ein dem Kegelmantel entsprechender Blechzuschnitt mit einer eigens entwickelten Vorschubkinematik zugeführt (Bild 2). Im Gegensatz zu der konventionellen Linearbewegung der Vorschubeinheiten von Schwenkbiegemaschinen wird das Blechhalbzeug auf einer Kreisbahn zugestellt. Zudem ist die Schrägstellung der Schwenkbiegewerkzeuge ein wesentlicher Bestandteil der Prozessführung, da über die Maschinenbreite ein Radienverlauf von klein nach groß entsprechend dem oberen beziehungsweise unteren Kegeldurchmesser erzeugt werden muss. Die notwendigen Schrägstellungen liegen im Bereich weniger Grad beziehungsweise Millimeter, über die Maschinenbreite betrachtet. Abhängig vom Schwenkbiegemaschinen-Typ können die Schrägstellungen beispielsweise mittels einer unterschiedlichen Distanzierung erfolgen.

Während des Prozesses sind keine festen Spannmittel erforderlich, da die fortlaufende Positionierung des Bleches durch den Maschinenvorschub erfolgt. Die Kegel können so in einer ununterbrochenen Fertigungsfolge des Wechsels aus Biegen und Zustellen hergestellt werden, ohne dass ein Umspannen benötigt wird. Auf diese Art und Weise lassen sich konische Blechschalen bis zu einem Schließwinkel von circa 270° herstellen, bevor die Oberwange der Maschine vollständig umschlungen wird. Für gänzlich geschlossene Kegel (360° Biegewinkel) müssen nach derzeitigem Entwicklungsstand des Schwenkbiegens zwei Halbschalen miteinander vereint werden.

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Unter der Berücksichtigung der elastischen Rückfederung wurde ein Prozessmodell entwickelt, das die Werkzeugpositionen beziehungsweise -stellungen sowie die kinematischen Verfahrensparameter für eine geforderte Kegelgeometrie ableitet. Entscheidend ist hierbei die Schrägstellung der Biegewerkzeuge über der Maschinenbreite sowie die Untergliederung des Bogens in den Wechsel aus vorgeschobenen Bogensegmenten und Biegungen.

Stand des Forschungsprojekts zum Kegelbiegen

Für die Untersuchung des Kegelbiegens auf Schwenkbiegemaschinen wurde ein Finite-Elemente-Simulationsmodell in Pam-Stamp 2018.0 erarbeitet. Der inkrementelle Verfahrensablauf wird mit dieser Methode computergestützt erprobt und weiterentwickelt (Bild 3). Insbesondere lassen sich die Einflüsse verschiedener Werkzeugstellungen auf die Umformung untersuchen, auch in mit den derzeitigen Maschinen nicht umsetzbaren Positionen und Bewegungen.

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Das Prozessmodell wurde bereits durch die Simulation, aber auch durch praktische Versuche auf einer Schwenkbiegemaschine anhand verschiedener Kegel validiert (Bilder 4 und 5). Der entwickelte Verfahrensablauf (radiale Zustellung, Schrägstellung der Biegewerkzeuge, geometrische Vorhersage) vereinheitlicht den Gesamtbiegewinkel über die Höhe des Kegels, insbesondere am oberen wie auch unteren Radius des Kegelstumpfes. Durch die Zustellung des Blechhalbzeugs in gleichförmigen Bogensegmenten kann ein konstanter Biegeradius erzeugt werden, während ein linearer Vorschub ohne Kompensationsmechanismen zu einem über den Kegelumfang enger werdenden Verlauf führt. Die analytische Prozessmodellierung ermöglicht die Vorhersage der Maschinenparameter in Abhängigkeit von der zu fertigenden Geometrie.

Im weiteren Verlaufe des Forschungsprojektes wird das Prozessmodell von der Universität Siegen im Hinblick auf sehr fein segmentierte Blechkegel verbessert, damit die Verfahrensparameter für sehr runde Kegel präzise vorhergesagt werden können. Derzeit können durch die Prozessmodellierung vieleckige Kegel entsprechend Bild 5 prognostiziert werden, obgleich die testweise Biegung mit radialer Blechzustellung und schräger Werkzeugstellung auch schon Kegel mit sehr vielen Biegungen ermöglicht (Bild 1), die annähernd einem ideal runden Kegel entsprechen. Zudem wird von der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien GmbH, basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Schwenkbiegemaschine entwickelt, die, neben der konventionellen Betriebsweise, in besonderem Maße zum Kegelbiegen gerüstet ist.

Hinweis: Gefördertes Forschungsprojekt

Das Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter den Förderkennzeichen ZF4162306US7 beziehungsweise ZF4385901US6 finanziert.

Literatur

[1] Zicke, G. (1979): Automatisierung in der Umformtechnik am Beispiel des Walzrundens, in: Industrieanzeiger, 101 (79), S. 72-76.

[2] Kersten, S. (2013): Prozessmodelle zum Drei-Rollen-Schubbiegen von Rohrprofilen. Dissertation. Aachen: Shaker Verlag

[3] Hermes, M. (2011): Neue Verfahren zum rollenbasierten 3D-Biegen von Profilen. Dissertation. Aachen: Shaker Verlag.

[4] Ludowig, G. (1980): Rechnerintegriertes Fertigungssystem für das Walzrunden von Blechen, in: VDI-Fortschrittsberichte, Reihe 2, Nr. 108, Düsseldorf: VDI Verlag.

* Wolfram Hochstrate ist Gesellschafter und in der Abteilung Forschung und Entwicklung der Dr. Hochstrate Maschinenbau Umformtechnologien GmbH in 58454 Witten tätig; Prof. Bernd Engel ist Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik der Universität Siegen in 57076 Siegen; Peter Frohn und Michael Schiller sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter, Dominique Schneider ist Absolventin B.Sc..

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