Maschinelles Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen durch Festklopfbearbeitung

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1 Maschinelles Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen durch Festklopfbearbeitung European Press-shop Meeting,10. Oktober 2013 Johannes Wied, Daimler AG 1

Das Mercedes-Benz Werk Sindelfingen Mitarbeiter: Produktpalette: ca. 28.

2 Das Mercedes-Benz Werk Sindelfingen Mitarbeiter: Produktpalette: ca am Standort Sindelfingen C-, E-, S-, CL-, CLS-Klasse, Maybach, Montage SLS AMG, B-Klasse Brennstoffzelle Volumen: Fläche: ca Fahrzeuge/Tag ca. 3km² Luftaufnahme Mercedes-Benz Werk Sindelfingen 2

Das Center Betriebsmittel Konstruktion und Beschaffung von Umformwerkzeugen, Rohbau- und Montageanlagen Anfertigung und Einführung von Umformwerkzeugen

3 Das Center Betriebsmittel Konstruktion und Beschaffung von Umformwerkzeugen, Rohbau- und Montageanlagen Anfertigung und Einführung von Umformwerkzeugen vornehmlich für Außenhautteile Beschaffung aller weiteren Umformwerkzeugen für die eigenen Presswerke ca Mitarbeiter Maschinenpark des Center Betriebsmittel 3

4 Produktspektrum des Werkzeugbaus Eigenfertigung Werkzeuge Werkzeuge für Außenhautteile Werkzeuge für die zugehörigen Innenteile Fremdbeschaffung Werkzeuge Alle Werkzeuge, die nicht im Haus gefertigt werden und in den Mercedes-Benz Presswerken zum Einsatz kommen, werden extern beschafft, z. B.: Werkzeuge für Innen- und Strukturteile Werkzeuge für Strukturteile zur Kapazitätsauslastung Werkzeuge für Klein-und Stanzteile 4

5 Die Prozesskette der Werkzeuganfertigung Strategie- Phase Produkt- Konzeption Fahrzeugphase Serie Methode Pressteilplanung Fahrzeugentwicklung Werkzeug- konstruktion Werkzeug- anfertigung Montage & Tryout Presswerk Verantwortungsbereich Werkzeugbau BM Konzeptabsicherung Ziehanlage CAD-Bauteilgeometrie Umformsimulation Werkzeugengineering und Konstruktion NC-Fertigung Werkzeugmontage und Tryout Fertigung im Presswerk 5

Reduzierung der Durchlaufzeit durch Festklopfen

5-Seitenbearbeitung Werkzeugmontage Formbearbeitung

durch Festklopfbearbeitung t Wareneingang Grund- und

6 Reduzierung der Durchlaufzeit durch Festklopfen Konventioneller Prozess Wareneingang Grund- und 5-Seitenbearbeitung Werkzeugmontage Formbearbeitung Manuelles Oberflächenfinish Durchlaufzeitreduzierung durch Festklopfbearbeitung t Wareneingang Grund- und 5-Seitenbearbeitung Formbearbeitung Werkzeugmontage Festklopfbearbeitung 6

Funktionsprinzip der Festklopfbearbeitung Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung Hämmerndes Werkzeug wird von Bearbeitungsmaschine oder Roboter nach NC-Daten über die Werkstückoberfläche

7 Funktionsprinzip der Festklopfbearbeitung Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung Hämmerndes Werkzeug wird von Bearbeitungsmaschine oder Roboter nach NC-Daten über die Werkstückoberfläche geführt Effekte Einglättung bzw. Strukturierung Randschichtverfestigung Erzeugung oberflächennaher Druckeigenspannungen hohe Effizienz und Reproduzierbarkeit Festklopfbearbeitung eines Ziehstempels für Fahrertüren 7

8 Funktionsprinzip der Festklopfbearbeitung Video Festklopfbearbeitung 8

Roboterklopfzelle: September 2013 Layout Roboterklopfzelle

9 Umsetzung der Festklopfbearbeitung Inbetriebnahme der 1. Roboterklopfzelle: Mai 2011 Inbetriebnahme der 2. Roboterklopfzelle: September 2013 Layout Roboterklopfzelle Festklopfbearbeitung eines Ziehwerkzeugs Hochgeschwindigkeits-Frässpindel Kombination von Festklopfen und spanender Bearbeitung 9

Umsetzung der Festklopfbearbeitung Verwendung von Industrierobotern als Träger des Festklopfsystems Vorteile geringe Investitionskosten hohe Flexibilität Nachteile geringe Genauigkeit geringe

10 Umsetzung der Festklopfbearbeitung Verwendung von Industrierobotern als Träger des Festklopfsystems Vorteile geringe Investitionskosten hohe Flexibilität Nachteile geringe Genauigkeit geringe Steifigkeit hohe Zugänglichkeit geringe Auswirkung von Kollisionen Klopfroboter in Robotmaster In dem vorgestellten Anwendungsgebiet überwiegen die Vorteile von Industrierobotern gegenüber Werkzeugmaschinen. 10

11 Das pneumatische Festklopfsystem Eigenentwicklung von Daimler Vertrieb in Lizenznahme Eingangsdruck: 4 8 Bar Frequenzspektrum: 150Hz - 300Hz Kugeldurchmesser: 8mm 28mm Für alle gängigen Werkzeugaufnahmen und Werkzeugwechselsystem geeignet Pneumatisches Festklopfsystem 11

12 Hohe Produktqualität in den Vorprozessen Oberflächennah lunkerfreier Guss notwendig zur Vermeidung von Unebenheiten auf der Formoberfläche durch das Eindrücken von Lunkern. Hohe Schlichtqualität notwendig, da Fräsfehler nur bedingt durch die Festklopfbearbeitung behoben werden können. Profilausschnitt einer geschlichteten Werkzeugoberfläche 12

13 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Reduzierung der Oberflächenrauheit kugelgefräster Werkstücke: Gefräste Oberfläche Ra =1,5 µm Geklopfte Oberfläche Ra =0,6 µm 13

14 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung vor der Festklopfbearbeitung Festklopfbearbeitung eines Zamak-Ziehstempels nach der Festklopfbearbeitung 14

15 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Steigerung der Randschichthärte Kugelgraphitguss GGG70L: 27-31HRC -> 36-39HRC Zinklegierung Zamak: HV -> HV 15

16 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Erzeugung von oberflächennahen Druckeigenspannungen Eigenspannungsverlauf (erste Hauptspannung) einer GGG70L-Probe in verschiedenen Bearbeitungszuständen 16

anhand von Tankmuldenstempeln Ergebnis: keine Auffälligkeiten bei der

17 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Gemeinsame Untersuchungen mit Oerlikon Balzers zur Nitrierbarkeit festgeklopfter Umformwerkzeug anhand von Tankmuldenstempeln Ergebnis: keine Auffälligkeiten bei der Nitrierung und nach Hub im Presswerk Quelle: Oerlikon Balzers 17

18 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Schädigungsverhalten von Schichten anhand Scratchtest 5x 40N Quelle: Fraunhofer IST, PtU Darmstadt 18

Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Zusammenfassung der Effekte durch Anwendung der Festklopfbearbeitung: Reduzierung des Oberflächenfinishs auf 1/3 der Kosten und der

19 Erzielte Effekte der Festklopfbearbeitung Zusammenfassung der Effekte durch Anwendung der Festklopfbearbeitung: Reduzierung des Oberflächenfinishs auf 1/3 der Kosten und der Prozessdauer über 80% mannlose Bearbeitung kein Materialabtrag und hohe Reproduzierbarkeit zusätzliche Verfestigung der Oberfläche keine Einschränkungen bezüglich Nitrier- und Beschichtbarkeit 19

20 Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte Einfluss der Festklopfbearbeitung auf die Oberflächen- und Randschichteigenschaften z.b. Zustellwinkel Fräsbahn zu Klopfbahn Maßnahme: 1. Physikalische Herleitung 2. FEM-Simulation (LSDyna) 3. Experimentelle Untersuchung z.b. Zusammenhang zwischen Musterungen und Reibwerten Maßnahme: Streifenziehversuch, Keilziehversuch, Einfluss der Oberflächen- und Randschichteigenschaften auf das tribologische System und die Verschleiß- eigenschaften z.b. Einfallstellen Bereich Tankmulde Maßnahme: Gezielte Materialflusssteuerung durch das Einbringen lokal verschiedener Rauheitswerte Einfluss des tribologischen Systems und der Verschleißeigenschaften auf den Umformprozess 20

21 Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte Analyse des Umformprozesses unter Einbringung lokal unterschiedlicher Reibwerte Rundnapf Rechtecknapf Kreuznapf Reales Bauteil 21

Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte Analyse der Beständigkeit der Oberflächenstrukturen im Serienprozess Gegenüberstellung des Verschleißes der

22 Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte Analyse der Beständigkeit der Oberflächenstrukturen im Serienprozess Gegenüberstellung des Verschleißes der Oberflächenstrukturen eines händisch gefinishten und eines geklopft, strukturierten Werkzeuges Messvorrichtung: NanoFocusµSurf (optisches Oberflächenmessgerät) Kuka Roboter 22

23 23 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

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