Exakte und kostengünstige Qualitätskontrolle an Pressen in der Blechverarbeitungsindustrie Bernd-Arno Behrens, Mohsen Javadi

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1 Exakte und kostengünstige Qualitätskontrolle an Pressen in der Blechverarbeitungsindustrie Bernd-Arno Behrens, Mohsen Javadi Der globale Wettbewerb sowie der steigende Kundenwunsch nach mehr Qualität zwingen die Unternehmen zu mehr Effizienz und der Ausschöpfung von Rationalisierungspotenzialen in der Produktion. Um die wirtschaftlichen und technologischen Anforderungen an Produkte zu erfüllen, greifen Firmen zur Automatisierung. Sie lässt einerseits die kosten- und zeitintensive Handarbeit entfallen, andererseits ermöglicht sie eine gleich bleibende Qualität bei der Herstellung von Produkten. Insofern ist die Blechverarbeitungsindustrie keine Ausnahme und ihr kommt auf Grund des großen Spektrums an metallische Komponenten große Bedeutung zu. Die Arbeitsgenauigkeit einer Umformmaschine während ihrer Lebensdauer ist ein maßgebender Faktor um zu beurteilen, ob sie zur Produktion der gewünschten Bauteile geeignet ist [1]. Um den Herstellern und Betreibern solcher Maschinen die Möglichkeit einer Kontrolle über die Arbeitsgenauigkeit der Pressen zu verschaffen, sind Normen und Richtlinien zur Pressenvermessung erarbeitet und herausgegeben worden. Diese bestimmen die Herangehensweise zu Untersuchung einer Presse und definieren die Kennwerte, die zur Bewertung der Genauigkeit von Umformmaschinen verwendet werden. Dies ermöglicht eine Güteklassifikation von Umformmaschinen, um deren Einsatz für die Produktion besonderer Teile zu planen [2]. Bei der Produktion eines durch den Umformprozess hergestellten Blechteils sind verschiedene Faktoren von Bedeutung. Bild 1 fasst die wichtigsten Parameter zusammen, die die Qualität der Blechteile beeinflussen [3]. Dabei stellt insbesondere die statische und dynamische Wechselwirkung zwischen Umformmaschine und Umformwerkzeug ein komplexes System dar. Für die automatisierte Untersuchung von Umformmaschinen nach DIN ist eine automatische Belastungs- und Vermessungseinrich- tung (BVE) am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover entwickelt worden (Bild 2). Durch den Einsatz der BVE ist eine schnelle und kostengünstige Erfassung der Maschineneigenschaften möglich. Hierdurch reduziert sich die notwendige Zeit zur Messung einerseits, und es erhöht sich die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse andererseits. Auf Grund der kompakten Baugröße der BVE ist die Erfassung von Veränderungen der Presseneigenschaften während der Anlaufphase möglich. Des Bild 1 Weiteren können mittels des Einsatzes der BVE die Ziehkisseneigenschaften untersucht werden, die erheblichen Einfluss auf die Qualität der Tiefziehbauteile haben. Stand der Erkenntnisse Die Presseneigenschaften beeinflussen die Qualität von Blechteilen. Maschinen mit geringer Fertigungsqualität verursachen in der Blech verarbeitenden Industrie hohe Kosten. Wenn die Geometrie eines Bauteils den Sollmaßen nicht entspricht, müssen sie Einflussfaktoren auf Pressteileigenschaften nach [3] (Bilder: IFUM, Hannover)

2 aufwändig nachgearbeitet oder gar ausgesondert werden. Maschinenseitige Fehler lassen sich verringern, indem man die Pressen regelmäßig testet und dabei misst, in welchem Ausmaß sich die Presseneigenschaften verändert haben. Die Pressenkenngrößen lassen sich in geometrische, statische und dynamische Eigenschaften gliedern. Die geometrischen Eigenschaften beinhalten Kennwerte wie Ebenheit der Aufspannflächen, Führungsspiel am Stößel, Parallelität des Stößels gegenüber dem Tisch und die Rechtwinkligkeit der Stößelbewegung in Arbeitsrichtung gegenüber dem Tisch [5, 6]. Die statischen Pressenkenngrößen lassen sich im Stillstand einer Presse unter Belastung untersuchen. Die statische Pressenvermessung erfolgt nach dem Messverfahren gemäß DIN Je nach Art der zu untersuchenden Presse, mechanisch oder hydraulisch, werden verschiedene Kräfte an unterschiedlichen Belastungsorten angebracht [7]. Bild 3 veranschaulicht die Belastungsorte zur statischen Vermessung einer mechanischen Presse. Bild 2 Bild 3 Automatische Belastungs- und Vermessungseinrichtung (BVE) [4] Belastungsorte nach der Norm DIN Ermittlung der statischen Pressenkenngrößen nach DIN Der Vermessungsaufbau nach DIN besteht aus einem Prüfzylinder, einer Ausgleichvorrichtung und Wegaufnehmern, die zur Messung der vertikalen Verlagerungen in Arbeitsrichtung sowie des horizontalen Versatzes in der X- bzw. Y-Richtung verwendet werden. Distanzscheiben füllen den Abstand zwischen hydraulischem Zylinder und dem Stößel auf (Bild 4). Um heraus zu finden, wie groß die Steifigkeit der Presse in vertikaler bzw. horizontaler Richtung ist, wird eine Belastung mittig und außermittig zwischen Pressentisch und -stößel eingebracht. Mittels der vorgesehenen Wegaufnehmer werden die Verlagerungen in senkrechter bzw. waagerechter Richtung erfasst. Die mittige Belastung einer Presse hat zur Folge, dass die Presse in vertikaler Richtung auffedert. Daraus lassen sich die Kennwerte Steifigkeit sowie die Anfangsverlagerung in Arbeitsrichtung feststellen. Bild 5 stellt eine Presse unter mittiger Belastung schematisch dar. Bild 4 Versuchsaufbau nach der Norm DIN [7] 2

3 Wenn eine Presse außermittig belastet wird, verkippt der Stößel um die x- bzw. y-achse. Zusätzlich verschiebt sich der Stößel in die x- bzw. y-richtung, wodurch der horizontale Versatz resultiert. Aus der Kippung des Stößels werden Kennwerte wie die Anfangskippung und die Kippsteifigkeit des Stößels um die horizontal liegenden x- und y-achsen berechnet. Bild 6 stellt die Kennwerte Anfangskippung und Kippsteifigkeit dar. Bild 5 Vertikale Verlagerung bzw. Auffederung einer Presse in der Arbeitsrichtung [8] Problemstellung und Lösungsansatz Bislang sind Pressenuntersuchungen langwierig und kostspielig. Die Wegaufnehmer müssen von Hand aufgestellt werden. Der schwergewichtige Prüfzylinder wird ebenfalls manuell zu den in der Norm festgelegten Messpunkten innerhalb des Pressentisches verschoben. Die wegen des Gewichts und der beengten Platzverhältnisse mühsame Vermessungsarbeit dauert von 5 Stunden bis zu einen Tag. Dies legt die Produktion lahm und erfordert Personalbindung, was die Wirtschaftlichkeit der Fertigung beeinträchtigt. Außerdem ist nicht gewährleistet, dass die Wegaufnehmer von den Mitarbeitern immer an exakt den selben Stellen positioniert werden. Das bedeutet, dass Messergebnisse, die zu verschiedenen Zeitpunkten an einer Presse durchgeführt werden, nicht wirklich vergleichbar sind. Demzufolge lässt sich die verschleißbedingte Veränderung der Pressenkennwerte nicht genau feststellen. Angesichts der aufgezählten Nachteile bei einer manuellen Pressenuntersuchung wurde eine automatische Belastungs- und Vermessungseinrichtung (BVE) entwickelt und gebaut. Bild 6 Bild 7 Kippung des Stößels der Presse um die x- bzw. y-achse [8] Daten- bzw. Kommunikationsfluss in der BVE Konstruktion der BVE und der Messablauf Ein großes Pressenspektrum ( kn Nennkraft) sowohl mechanischer als auch hydraulischer Pressen kann mit der BVE untersucht werden. Sie verfügt über eine Belastungsvorrichtung, die die Funktion einer Ausgleichvorrichtung realisiert und den hydraulischen Zylinder beinhaltet. Somit kann je nach der Art der Maschine und deren Nennkraft der erforderliche Druck in der Belastungsvorrichtung

4 aufgebaut und die entstandene Kraft in die Presse eingeleitet werden. Des Weiteren besteht sie aus Wegaufnehmern zur Aufnahme der Messgröße. Während der Belastung messen die Wegaufnehmer die Verlagerungen in der Arbeitsrichtung und in horizontaler Richtung. Darüber hinaus ist die BVE mit Servoantrieben und Spindelwellen ausgestattet, die zwischen Ober- und Unterplatten integriert sind. Sobald die Presse entlastet wird, verschiebt das Spindelsystem die Belastungsvorrichtung auf der Grundplatte an den nächsten Belastungsort. Der Aufbau des notwendigen Druckes in der Belastungsvorrichtung übernimmt das hydraulische System, welches aus einem Aggregat, dem hydraulischen Zylinder und verschiedenen Ventilen besteht. Das hydraulische System wird durch das Steuerungsprogramm angesteuert. Die Steuerung und Datenerfassung erfolgt über ein am IFUM entwickeltes Programm. Einerseits erfasst das rechnergestützte Programm die Signale aus den Wegaufnehmern, verarbeitet sie, und stellt sie als ASCII Code zur Verfügung. Andererseits sendet das Programm Signale an das hydraulische System, um den notwendigen Druck zur Belastung der Presse in dem hydraulischen Zylinder aufzubauen. Nach der Entlastung der Presse steuert das Programm die Verschiebung der Belastungsvorrichtung durch das Spindelsystem. Bild 7 zeigt den Datenund Kommunikationsfluss in der BVE. Bild 8 Bild 9 Kippung des Stößels gegenüber dem Tisch um x-achse einer hydraulischen Presse Exemplarische Veränderung der Kippung im Laufe der Betriebsdauer einer Presse Ergebnisse Die BVE ist so gestaltet, dass das Messverfahren auf Basis der in der Norm festgelegten Richtlinie erfolgt. Danach werden Umformmaschinen mittig mit der Nennkraft und außermittig mit der Hälfte der Nennkraft belastet. Die prozentuale Außermittigkeit kann mit der BVE genau so festgelegt werden wie es in der Norm vorgeschrieben ist. Es ist jedoch anzumerken, dass eine Aufstellung der Wegaufnehmer zur Erfassung der vertikalen Verlagerungen an den Tischecken der Presse nicht möglich ist. Dies ist durch die kompakte Bauweise der BVE und die festgelegte Position der Wegaufnehmer in vertikaler Richtung begründet. Der Vergleich der Ergebnisse bei Einsatz der BVE mit denen aus einer manuellen Pressenvermessung zeigt, dass die Umpositionierung der Wegaufnehmer zu Abweichungen führt. Somit kann geschlussfolgert werden, dass die Positionierung der Wegaufnehmer zwecks einer statischen Pressenvermessung nach DIN nur an den Tischecken der Presse zulässig ist. Bild 8 ist zu entnehmen, dass in Folge einer Verschiebung der Wegaufnehmer zur Pressentischmitte eine geringere Pressensteifigkeit zu erwarten ist. Trotz der auftretenden Abweichungen erhöht der Einsatz der BVE die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei einer Pressenuntersuchung. Darüber hinaus beschleunigt sie den Vermessungsprozess, wobei die notwendige Zeit zur Messung verkürzt wird. Dies ermöglicht eine regelmäßige Vermessung von Umformmaschinen zur Planung vorbeugender Instandhaltungsmaßnahmen. Insgesamt ist ein besserer Überblick über den Zustand der

5 Presse beim Einsatz der BVE möglich. Bild 9 stellt ein exemplarisches Beispiel der Veränderungen der Stößelkippung im Laufe der Betriebsdauer einer Presse dar. Der Zeitabstand im Bild 9 lässt sich je nach der Belastung der Maschine durch den Pressenanwender definieren. Bei dem Vergleich der Kurven kann festgestellt werden, wie sich die Kennwerte zwischen zwei Messungen entwickelt haben. Zusammenfassung Die BVE ermöglicht eine regelmäßige Kontrolle von Umformmaschinen. Der Einsatz dieser kompakten Anlage verschafft dem Anwender einen Überblick über den Verschleißzustand in Stößellagern und -führungen und ermöglicht die Messung der Veränderungen der Pressenkenngrößen während der Anlaufphase. Für die Blech verarbeitende Industrie, die durch die Globalisierung und immer kürzere Produktlebenszyklen einem steigenden Wettbewerbsdruck ausgesetzt ist, bietet die BVE ein Instrument, um hohe Qualitätsstandards bei vertretbaren Kosten (Zeit und Personalbindung) zu gewährleisten. Danksagung Dieses Forschungsvorhaben wurde unter der Fördernummer AiF aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung Otto von Guericke e. V. gefördert. Autoren Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens studierte Maschinenbau an der Universität Hannover und promovierte im Jahr 1997 am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) in Hannover. Nach seiner Promotion übernahm er die Leitung der Abteilung Umformtechnik bei der Firma Salzgitter Ag und im Jahr 2002 wurde sein Verantwortungsbereich auf die gesamte Anwendungtechnik des Konzerns erweitert. Seit Oktober 2003 leitet er das IFUM der Leibniz Universität Hannover. M. Sc. Mohsen Javadi hat sein Studium im Fachbereich Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover im Jahr 2004 abgeschlossen. Nach seinem Studium ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Umformmaschinen am IFUM tätig. Literatur [1] Hanisch, M.; Volkmann, Chr. U.: Untersuchung der Steifigkeit von mechanischen Zweiständerpressen für die Kaltmassivumformung; wt Zeitschrift für industrielle Fertigung; Springer-Verlag;1977; Seite [2] Schenk, H.; Wiehl, K.: Messvorrichtung zur Ermittlung von Pressenkenndaten; VDI-Berichte Nr.450; 1982; Seite [3] Doege, E.; Hütte, H; Kröff, A.; Strache, W.: Genauigkeit im Presswerk- Teil I: der überwachte Prozess; Blech Rohre Profile 6/98; 1998; Seite [4] Behrens, B.-A.; Javadi, M.: Erweiterung der Kennwertermittlung durch eine automatische Belastungs- und Vermessungseinrichtung für Pressen der Blechverarbeitung. Abschlussbericht AiF 14252N; Hannover; 2007 [5] DIN 8651: Deutsche Norm; Werkzeugmaschinen; Mechanische Zweiständerpressen; Mai 1990 [6] VDI 3145: VDI Richtlinie; Pressen zum Kaltmassivumformen; Mechanische und hydraulische Pressen; Juli 1984 [7] DIN 55189: Deutsche Norm; Werkzeugmaschinen; Ermittlung von Kennwerten für Pressen der Blechverarbeitung bei statischer Belastung; Dezember 1998 [8] Behrens, B.-A.; Doege, E.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen, Springer-Verlag; Hannover; 2006 IFUM Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen An der Universität 2 D Garbsen Tel.: Fax info@ifum.uni-hannover.de Internet: