Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik. Einführung

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl Formgebende Fertigungsverfahren Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik Einführung Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius 12. April 2013

2 Vorlesungsüberblick Sommersemester 2013 Termin Thema Termin Thema Einführung Grundlagen der Werkzeuge Übung Grundlagen der Werkzeuge Gesenkschmiedewerkzeuge Gesenkkonstruktion 1 (Beleg) Fließpresswerkzeuge Gesenkkonstruktion 2 (Beleg) Strangpresswerkzeuge Einführung FEM Modellierung FEM Werkzeuge der Blechbearbeitung I Berechnung FEM Werkzeuge der Blechbearbeitung II Berechnung FEM Folgeschneidwerkzeuge I Folgeschneidwerkzeuge II Werkzeugkonstruktion FSWz 1 (Beleg) Visioplastizität Werkzeugkonstruktion FSWz 2 (Beleg) Sonderwerkzeuge Fertigung von Umformwerkzeugen Aufbau und Einsatz laminierter Wkz Repetitorium Exkursion Werkzeughersteller

3 Vorlesungs- und Übungsskript Internetseite: Institut für Fertigungstechnik Professur für Formgebende Fertigungsverfahren -3-

4 Vorlesungs- und Übungsskript Internetseite: Institut für Fertigungstechnik Professur für Formgebende Fertigungsverfahren Skript: fakultaet_maschinenwesen/if/ff/studium/index_html Passwort: SomSem2013-WzUzT Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius Kontaktdaten: Tel.:

5 Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 Zusammenhalt schaffen Zusammenhalt beibehalten Zusammenhalt vermindern Zusammenhalt vermehren Formändern 2. Umformen 3. Trennen 4. Fügen 1. Urformen Eigenschaften 6. Stoffeigenschaften ändern 5. Beschichten Umlagern von Stoffteilchen Aussondern von Stoffteilchen Einbringen von Stoffteilchen -5-

6 Einteilung der Umformverfahren in Untergruppen nach DIN 8582 Umformen Druckumformen Zugdruckumformen Zugumformen Biegeumformen Schubumformen Walzen Freiformen Gesenkformen Eindrücken Durchdrücken Durchziehen Tiefziehen Kragenziehen Drücken Knickbauchen Längen Weiten Tiefen Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung Biegen mit drehender Werkzeugbewegung Verschieben Verdrehen -6-

7 Warum eine separate Betrachtung von Werkzeugen? Mechanische Belastungen o o Normalspannungen von bis zu 10 k f0 Reibschubspannungen o Biegespannungen Thermische Belastungen o Warmumformung Verschleiß o o o Adhäsion (Kaltumformung) Abrasion (z.b. Zunder beim Schmieden & Schweißnähte bei Tailored blanks) Zerrüttung / Ermüdung -7-

8 Einfluss auf die Werkzeuggestaltung -8-

9 Multi Material Design Stahl, Eisen 881,7 Absolutes Gewicht: Angaben in kg 438,1 120 Leichtmetalle Andere Metalle Thermoplastische Kunststoffe 61,8 Duroplastische Kunststoffe 148,3 58,5 Elastomere 70,3 47,7 25,3 4,2 29,9 23,1 26,1 Betriebsstoffe Rest Elektronik Lack, Klebstoffe Textilien Glas, Keramik Thermoplastische Elastomere (Quelle: nach Stauber, R.: -9-

10 Motivation Umformtechnik Leichtbau durch Stahl und Aluminium ULSAB-AVC NewSteelBody ULSAB Audi A8 Audi A2-10-

11 Umformeigenschaften am Beispiel Stahl Bruchdehnung A 80 in % 60 weiche Stähle, Baustähle Stand: Isotrope Stähle hochfeste IF Stähle 40 Dualphasen Stähle TRIP Stähle 30 TRIP Bake hardening Stähle DP800 / 1000 Work hardening 10 Mikrolegierte Stähle Stähle Komplexphasen Stähle CP Zugfestigkeit R m in MPa (Quelle: nach ThyssenKrupp Steel Europe AG) -11-

12 Karosserieteile eines E-Mobils Herstellung und Umformen von Tailored Blanks : Tür des E-Mobils s 0 = 0,8 mm s 0 = 0,9 mm Tailored Blanks Coilmaterial unterschiedlicher Dicke und Festigkeit. Fertigung von belastungsangepassten Blechbauteilen Bodenteil des E-Mobils (Quelle: Ipeuster Vortragsreihe TKS 2011) -12-

13 Funktionsteile (Lenkung) eines E-Mobils Lenkungsteile Scherschneiden mittels Feinschneiden Ringzacke normalgeschnitten feingeschnitten Druckspannungsüberlagerung im Schneidspalt via Ringzacke Glattschnittanteil bzgl. Blechdicke 1 / 3 1 (Quelle: Ikoetter Ein Beitrag zum Schrägschneiden von Leichtbauprofilen 2009) -13-

14 Beispiel Tiefziehen F S t Stempel F NH F NH Niederhalter (Blechhalter) Platine (Blech) Ziehring (Matrize) -14-

15 Prozessablauf Tiefziehen Blech einlegen Schließen des Niederhalters Beginn des Stempelhubs Tiefziehen Stempel Niederhalter Blechzuschnitt Ziehring Auswerfen des Blechformteils -15-

16 Prozessablauf Tiefziehen Blech einlegen Schließen des Niederhalters Beginn des Stempelhubs Tiefziehen Stempel Niederhalter Blechzuschnitt Ziehring Auswerfen des Blechformteils -16-

17 Prozessablauf Tiefziehen Blech einlegen Schließen des Niederhalters Beginn des Stempelhubs Tiefziehen Stempel Niederhalter Blechzuschnitt Ziehring Auswerfen des Blechformteils -17-

18 Prozessablauf Tiefziehen Blech einlegen Schließen des Niederhalters Beginn des Stempelhubs Tiefziehen Stempel Niederhalter Blechzuschnitt Ziehring Auswerfen des Blechformteils -18-

19 Prozessablauf Tiefziehen Blech einlegen Schließen des Niederhalters Beginn des Stempelhubs Tiefziehen Auswerfen des Blechformteils -19-

20 Aufbau Tiefziehwerkzeug (Quelle: Schuler) -20-

21 Gestaltung Tiefziehwerkzeuge Gusskörper I (Quelle: VDI3120) -21-

22 Gestaltung Tiefziehwerkzeuge Gusskörper II (Quelle: VDI3120) -22-

23 Tiefziehen mit Lamellenwerkzeugen -23-

24 Aufbau Nachschlagewerkzeug (Quelle: Schuler) -24-

25 Großserienfertigung (Quelle: Schuler, PWO) -25-

26 Spannungszustände beim Tiefziehen -26-

27 Verfahrensvariante Abstreckziehen Stempel -27- Niederhalter Ziehmatrize Absteckziehmatrize VAW Aluminium AG (2001)

28 Stoffflusssteuerung Tiefziehen via Ziehleisten (Ziehsicken) Ziehleisten Bei Ziehteilen mit flachen, rechteckigen oder unregelmäßigen Formen Ziehleisten werden nur an den Seiten angeordnet und bremsen dort den Platineneinzug An den Ecken kann das Material ungehindert fließen Niederhalter Stempel Matrize Ziehleiste -28-

29 Stoffflusssteuerung Zieh- und Abklemmsicken (Quelle: Ostermann) -29-

30 Ziehen konischer Näpfe Großer Ziehspalt (Quelle: Lange) -30-

31 Stoffflusssteuerung Tiefziehen via Tuschieren (SMG) -31-

32 Matrize zum Voll-Vorwärts-Fließpressen Quelle: Universität Stuttgart Quelle: Universität Stuttgart -32-

33 Werkzeug zum Voll-Vorwärts-Fließpressen Grundplatte Druckplatte Stempel Preßbüchse Matrize Schrumpfring Armierungsring Werkstück Zwischenplatte Grundplatte Druckplatte Auswerfer -33-

34 Spannungsverteilung in der Fließpressmatrize r / p i / p i t / p i p i 0 Annahme: Dicker, unendlich langer Zylinder unter Innendruck. Versagen nach Tresca Fließkriterum: max Aber, min k t r f r t Werkstoff der Matrize Der maximal zulässige Innendruck : p i k f Werkstoff der Matrize 2-34-

35 Spannungsverteilung in der Fließpressmatrize mit Armierungsring Der maximal zulässige Innendruck: Spannungen ohne Innendruck 3 p k zu k 4 i f Werkstoff f der Matrize Werkstoff der Matrize Spannungen mit Innendruck -35-

36 STRECON Vari-Fit Fließpressmatrizen Zielstellung: Bauteilherstellung mit einer Toleranz, die so gut wie oder besser als bei spanend bearbeiteten Bauteilen ist (Quelle: Strecon, Soenderborg/Denmark) -36-

37 Arbeitsschritte beim Strangpressen Verfahrensablauf: 1 Laden Laden Pressen Strippen Scheren 2 Pressen 3 Strippen 4 Scheren -37-

38 Werkzeugsatz in einer Strangpresse Prinzip: Werkzeugsatz: Strang Gegenhalter Block Stempel Pressstempel Pressscheibe Werkzeugsatz Schleißring Bolzen Matrize Blockaufnehmer (Rezipient) Pressscheibe Profilstrang Gegenholm Rezipient Werkzeugaufnahme (Kassette) (Quelle: Müller) -38-

39 Fertigung von Hohlprofilen durch Kammerwerkzeuge Pressen über mitlaufenden Dorn Kammerwerkzeug Pressblock Stempel mit Dorn Matrize Dorn Dornplatte Rezipient Tragarm v WZ Einlauf Hohlprofil Führungsfläche Tote Zonen Fließlinien Al-Block v WZ -39-

40 Grundsätzlicher Aufbau von Werkzeugen Einzelwerkzeug Verbundwerkzeug 1 Einspannzapfen 4 Schneidstempel 7 Abstreifer 2 Kopfplatte 5 Schneidplatte 3 Stempelhalteplatte 6 Grundplatte -40-

41 Grundsätzlicher Aufbau von Werkzeugen Grundsätzliche Führungen : Freischneidwerkzeug Plattenführungswerkzeug Säulenführungswerkzeug a Schneidstempel b Schneidplatte c Abstreifer d Führungsleiste e Oberteil f Führungsbuchse g Führungssäule h Grundplatte j Werkstück k Führungsplatte (Quelle: Oehler, Kaiser) -41-

42 Werkzeugarten Werkzeugarten der UZT: Beispiel für ein Einzelwerkzeug: Beispiel für ein Stufenwerkzeug: (Quelle: ZV - Nástroje s.r.o.vsetín 2012) -42-

43 Werkzeugarten Werkzeugarten der UZT: Beispiel für Folgeverbundwerkzeuge: Werkzeugstationen Blechstreifen (Quelle: Vogel & Noot) -43-

44 Werkzeugarten Werkzeugarten der UZT: Beispiel einer Halterung, gefertigt in einem Folgeverbundwerkzeug Blechteil Streifenaufteilung -44-

45 Wirtschaftlichkeit Neben den benannten Werkzeugarten sind in der Praxis vielfältige Übergänge zwischen den einzelnen Werkzeugarten bzw. Kombinationen aufzufinden: (Quelle: Schuler, Spur) -45-

46 Wirtschaftlichkeit Beispiel der Gliederung umformtechnischer Werkzeugarten Werkzeugeingriff / Formspeicher / Gestalterzeugung / Flexibilität (Quelle: Aweba Werkzeugbau) -46-

47 Werkzeuge und Pressen Auswirkung der Kinematik einer Presse auf die Gestaltung eines Werkzeuges der UZT zum Tiefziehen: -47- Tiefziehmatrize Tiefziehstempel Niederhalter

48 Literatur Literaturhinweise Lange, K.: Umformtechnik. Bd. 3. Blechverarbeitung. Berlin, Heidelberg u.a.: Springer, 1990 Jahnke, H.; Retzke, R.; Weber, W.: Fertigungstechnik - Umformen und Schneiden. Berlin: Technik, 1981 Romanowski, W. P.: Handbuch der Stanzereitechnik. Berlin: Technik, 1965 Tschätsch, H.: Handbuch Umformtechnik. 3. Aufl. Darmstadt: Hoppenstedt, 1990 Hilbert, H.L.: Stanzereitechnik. München: Hanser, 1970 Oehler, G.; Kaiser, F.: Schnitt-, Stanz- und Ziehwerkzeuge. Berlin, Heidelberg u.a.: Springer, 1993Lange, K. (Hrsg.), Umformtechnik, Bd. 1-4, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1984, 1988, 1990, 1993 Internethinweise Informationsportal Umformtechnik: Industrieverband Massivumformung e.v.:

49 VDI3346 Sicherheitsmaßnahmen an Stanzwerkzeugen VDI3351 Verbundwerkzeuge VDI3355 Kugelführungen, Einbaurichtlinien VDI3356 Richtwerte für die Ausführung von Führungssäulen, Säulenlagern, Führungsbuchsen Klammern für Stanzerei- Großwerkzeuge VDI3358 Vorschubbegrenzung in Stanzwerkzeugen VDI3359 Blechdurchzüge; Fertigungsverfahren und Werkzeuggestaltung VDI3360 Sicherung von Stanzwerkzeugen VDI3361 Zylindrische Druckfedern... für Stanzwerkzeuge VDI3362 Gummifedern für Stanzwerkzeuge VDI3367 Richtwerte über Steg- und Randbreiten in der Stanztechnik; Ermittlung der Streifen- und Werkstückanzahl VDI3368 Schneidspalt, Schneidstempel- und Schneidplattenmaße für Schneidwerkzeuge VDI3370 Mechanisierte und automatisierte Arbeitsvorgänge in Stanzwerkzeugen; Einlegearbeiten Literatur Normen -49-