Biegen in Siegen Rohre und Profile besser umformen

Autor Stéphane Itasse

Für Leichtbauanwendungen sind Rohre und Profile gefragt. Um sie in die richtige Form zu bringen, müssen Ingenieure neue Verfahren ausloten und die bisherigen Grenzen verschieben. Mehrere Ansätze dazu wurden auf der Konferenz Biegen in Siegen vorgestellt.

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Für Leichtbaukonstruktionen müssen Profile und Rohre in die richtige Form gebracht werden.
Für Leichtbaukonstruktionen müssen Profile und Rohre in die richtige Form gebracht werden.
(Bild: Itasse)

Ganz vom automobilen Leichtbau getrieben ist ein neuartiges Verfahren, das Esmaeil Nazari vom Institut für Umformtechnik und Leichtbau der TU Dortmund vorstellte: das Rohrbiegen mit variablem Querschnitt. Dazu bedienen sich die Forscher verschiedener Prozesse, die alle den Vorteil der Spannungsüberlagerung nutzen. Damit werden eine Änderung von Durchmesser und Wanddicke sowie das Biegen parallel möglich. „Als Vorteile haben wir weniger Rückfederung und Querschnittsverzerrung, eine höhere Flexibilität sowie niedrigere Biegekräfte“, sagte Nazari.

Rohre erst verkleinern, dann biegen

Der Rohrumformprozess verläuft dabei inkrementell. Das Rohr läuft erst durch Druckwerkzeuge zur Durchmesserreduktion, anschließend wird es mit einem Biegewerkzeug gebogen. Durch das Verstellen der Druckrollen kann man verschiedene Durchmesserreduktionen erreichen. Möglich ist dabei eine konstante, eine variable oder gar keine Durchmesserreduktion. „Die erreichbare Durchmesser- und Wanddickenreduktion hängt vom Material ab. Wir haben Versuche mit E235 gemacht, dabei ergab sich eine maximale Reduktion von 25 % der Wanddicke und von 32 % im Durchmesser“, erläuterte der Wissenschaftler. Der kleinste Biegeradius, den er bisher erreicht hat, liegt bei 150 mm. Er ist allerdings bedingt durch die Zustellung zwischen Druckrolle und Biegerolle, sagte Nazari: „Wir können nicht näher herangehen.“

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Gleich zwei Entwicklungen konnte Dr. Uwe-Peter Weigmann, Vorstand Technik & Entwicklung bei der Wafios AG und Sprecher des Vorstands, vorstellen: Zum einen das Rotationszugbiegen ohne Sonderwerkzeuge, zum anderen eine Geschwindigkeitssteigerung beim Biegen von Drähten oder dünnen Rohren durch Reduzierung des Peitscheneffektes.

Rotationszugbiegen ohne Sonderwerkzeuge reduziert die Rüstzeiten

Im ersten Fall ging es darum, die Zahl der Werkzeugwechsel und damit die Rüstzeiten zu reduzieren. Die Idee war, die Variabilität von der Geometrie der Werkzeuge in die Kinematik der Maschine zu legen. Dazu wurde die Biegeform durch eine angepasste Kinematik ersetzt, um ein Biegen ohne biegeradiusabhängige Werkzeuge zu ermöglichen. Um das umzusetzen, genügen laut Weigmann zwei Verstellspindeln, eine für den Gegenhalter der Spannbacke und eine für die Gleitschiene. Insgesamt genügen vier Werkzeuge – ohne Sonderteile, Biegeform oder Faltenglätter. „Sie haben die Möglichkeit, andere Radien zu fahren, ohne die Werkzeuge mechanisch verändern zu müssen“, sagte der Wafios-Vorstandssprecher. Er räumte aber auch ein, dass das Verfahren Nachteile hat: Gerade bei größeren Biegewinkeln komme es zu etwas mehr Ovalität. Getestet hat der Maschinenbauer das Verfahren bis 35 mm Rohrdurchmessser bei einem minimal einstellbaren Biegeradius von 25 mm bis 120 mm maximal und einem maximalen Biegewinkel von 120°.

Bei der zweiten Neuerung zur Reduzierung des Peitscheneffektes setzt Wafios ganz auf Software. Derzeit ist es oft so, dass bei langen, dünnen Biegeteilen prozessbedingt am freien Draht- beziehungsweise Rohrende Schwingungen auftreten. Diese führen zu ungewünschten Verformungen oder Prozessinstabilitäten. Bisher konnte man nur Abhilfe schaffen, indem man die Geschwindigkeit verringerte oder Wartezeiten im NC-Programm hinnahm.

Schwingungen beim Biegen langer Rohre und Drähte vollständig ausgeglichen

Wafios hat es sich hier zum Ziel gesetzt, die Schwingungen komplett zu beseitigen. „Gelungen ist das durch eine Optimierung der Achsbewegungsprofile, sodass sich die Schwingungen gegenseitig auslöschen“, erläuterte Weigmann. Dazu wird die Biegemaschine zunächst programmiert, anschließend werden Teilegeometrie und Eigenschaften des Materials zu Wafios übermittelt. Dort wird in einem Berechnungscluster ein optimierter Biegeprozess erarbeitet, der nach 5 bis 20 min zur Verfügung steht. Im Ergebnis waren bei Draht Steigerungsraten der Stückleistungen zwischen 36 und 62 % im Vergleich zum manuellen Einrichten möglich, bei der Rohrumformung wurden sogar 75,6 % erreicht.

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Einen selbstlernenden Umformprozess als Methode zur adaptiven Rückfederungskompensation stellte Dr. Peter Kopfer von der Linde + Wiemann GmbH auf der Konferenz vor. „Das Werkzeug kann sich selbstständig auf das Halbzeug einstellen“, erläuterte er. Möglich wird dies durch eine modulare, bauteilunabhängige Grundstruktur, die für verschiedene Bauteile und Prozesse anpassbar ist. Das Werkzeug ist selbsteinstellend und adaptiv.

Dieses Werkzeug bringt eine Reihe von Vorteilen, wie Kopfer erläuterte: Der Einstell- und Rüstaufwand wird reduziert, die Inbetriebnahmezeit verkürzt, die Prozessstabilität erhöht und der Ausschuss verringert – bis hin zu einer Nullfehlerproduktion.

Werkzeug korrigiert Rückfederung selbst

Für einen Musterprozess stellte Kopfer ein Folgeverbundwerkzeug mit vier Stationen vor: In der ersten und vierten Station – Einschnitt und Abtrennen – gebe es keine Veränderungen im Vergleich zu einem klassischen Werkzeug. Doch die zweite Station, der Vorbiegestempel, enthält zwei Sensoren, um den Biegewinkel fortlaufend messen zu können. Auch in der dritten Station, dem Nachbiegestempel, messen Sensoren den Biegewinkel fortlaufend. Die dritte Station verfügt zudem über einen unabhängig arbeitenden Servohydraulikzylinder, außerdem gibt sie Daten an die zweite Station zurück für eine Korrektur des Biegewinkels.

In einem ersten Schritt, der Kognition, wird der erwartete Rückfederungswinkel berechnet. Der gewünschte Zielwinkel ist bekannt, mit diesen Daten wird dann ein Soll-Lastwinkel eingestellt. Im zweiten Schritt erfolgt die Adaption: Die Weg-Winkel-Relation dient zur Berechnung der Soll-Zustellung für den nächsten Biegewinkel. Im Ergebnis war Kopfer mit seiner Mannschaft mit 98 % schon nah am Gutteiloptimum. „Unter Umständen sind es nur die ersten zwei Bleche, die daneben gehen“, sagte er.

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