Minimierung der Schwingungsanregung von Schneidstempeln durch den Einsatz von Piezoaktoren
Final Report Abstract
Das Scherschneiden ist ein bewährtes Verfahren zum spanlosen Trennen in der Metallbearbeitung und wird zur kostengünstigen Produktion von Bauteilen in hohen Stückzahlen verwendet. Zum Zeitpunkt des Materialabrisses wird die vorgespannte Pressenstruktur schlagartig entspannt, wodurch eine impulsartige Anregung aller schwingfähigen Komponenten an Presse und Werkzeug erfolgt. Die auf diese Weise entstehenden schnittschlagbedingten Vertikalschwingungen des Pressenstößels führen zu einer Erhöhung des Reibweges zwischen Schneidstempel und Blech, was mit einem erhöhten Verschleiß des Stempels einhergeht und zusätzlich eine Abnahme der Schnittflächenqualität bewirkt. Im Forschungsvorhaben „Minimierung der Schwingungsanregung von Schneidstempeln durch den Einsatz von Piezoaktoren“ wurden daher neuartige aktive Dämpfersysteme mit integrierten piezoelektrischen Aktoren untersucht, um eine Reduktion der Stößelschwingungen zu erzielen sowie die Wirtschaftlichkeit des Schneidprozesses und die Qualität der Bauteile zu erhöhen. Die entwickelten Dämpfersysteme vermeiden sowohl den direkten Eingriff in die Schnittoperation als auch eine Abnahme der antriebsseitig zur Verfügung stehenden Pressenkraft. Zu Beginn des Vorhabens wurde basierend auf realen Messungen der Stößelkinematik beim Schneidprozess ein Ersatz-Simulationsmodell der Stößelmasse in Form eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems entwickelt. Dieses Modell ermöglichte die Abbildung des Schwingungsverhaltens des Stößels infolge des Schnittschlags und stellte die Anforderungen an das Dämpferkonzept hinsichtlich der notwendigen Dämpfungskräfte dar. Auf Grundlage des Simulationsmodells der Stößelmasse wurden neuartige, auf dem Einsatz piezoelektrischer Aktoren basierende Dämpfersysteme zur Reduktion der Stößelschwingungen konzipiert. Dabei handelte es sich um semiaktive Dämpfersysteme in Form von Schwingungstilgern, die eine flexible Anpassung an unterschiedliche Prozessparameter ermöglichen. Die Einstellung der Dämpfung des Systems erfolgt mithilfe von piezoelektrischen Stellaktoren. Berechnungen am erstellten Simulationsmodell bestehend aus Pressenstößel und Tilgermassen zeigten das Potential des semiaktiven Dämpfersystems in Bezug auf eine Schwingungsreduktion am Pressenstößel. In der Kontaktzone zwischen Stempel und Blech wird die dissipierte Reibenergie um ca. 30 % reduziert, was eine verminderte Verschleißentwicklung an den Schneidelementen bewirkt. Zur experimentellen Validierung der Simulationsergebnisse wurde das semiaktive Dämpfersystem konstruiert und gebaut. Das System besteht aus zwei separaten Tilgerelementen, die direkt unterhalb des Stößels an der Umformmaschine angebracht werden. Einen wesentlichen Aspekt bei der Entwicklung des Dämpfersystems stellten die Elektronikentwicklung zur Ansteuerung der Piezoaktoren sowie die Entwicklung eines Regelungssystems dar. Im Hinblick auf die hohen Anforderungen an die Piezoaktoren in Form einer impulsartigen Anregung sowie einer ausreichenden Dynamik des Systems musste die Leistungselektronik entsprechend hohe Ströme mit kurzer Anstiegszeit bereitstellen. Hierfür wurde ein Zwei-Quadranten-Linearverstärker mit Gegenkopplung für den Spannungsbereich zwischen 0 und 120 V und einer Nennleistung von 600 Watt entwickelt. Für die Regelung des Dämpfersystems wurde ein Regelungsverfahren entsprechend der Anforderungen konzipiert und getestet. Die Ansteuerung der Aktoren erfolgt dabei über die Steuerung der Stellspannung proportional zur Relativgeschwindigkeit zwischen Stößel und Tilgermasse während des Betriebs. Damit konnte eine Variation der Tilgerdämpfung im Takt der im System angeregten Schwingungen erfolgen. Nach der Fertigung des semiaktiven Dämpfersystems erfolgte der experimentelle Einsatz in der Versuchspresse unter Durchführung realer Schneidversuche. Versuche, bei denen die Aktoren mit einer konstanten Gleichspannung während des Schneidvorgangs angesteuert wurden, zeigten eine Variation der Dämpfung im Tilger mittels der Piezoaktoren um bis zu 33,5 %. Eine Anpassung des Systems an unterschiedliche Prozessparameter während des Betriebs ist somit möglich. Zudem wurden Versuche im geregelten Betrieb mit dem Dämpfersystem durchgeführt. Dabei erfolgte eine geschwindigkeitsproportionale Ansteuerung der Aktoren während des Schneidvorgangs mittels der entwickelten Regelschleife. Der Einsatz des Dämpfersystems und die entsprechende Regelung der Piezoaktoren ermöglichte im Betrieb eine Abnahme der Abklingzeit um 37,94 % der Stößelschwingung bei einer Reduktion der maximal auftretenden Amplitude von bis zu 27,95 %. Das Ziel einer Reduzierung der Stößelschwingungen während des Schneidprozesses konnte somit durch die Umsetzung des neuartigen Konzeptes erfolgreich erreicht werden.
Publications
- An Adaptive Tuned Mass Damper Using Friction Bars, Proceedings of the ASME Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, Volume 1; V001T03A024; doi:10.1115/SMASIS2013-3119, Snowbird, Utah, USA, 2013
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- Tuned Mass Damper with Piezoelectrically tunable Damping, 20th Int. Congress on Sound and Vibration (ICSV2013), Bangkok, Thailand, 2013
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- Vibration Damping with Shunted Piezoceramics: Fundamentals and Technical Applications, Mechanical Systems and Signal Processing Vol. 36 (1), S. 36 – 52, 2013
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- Berechnung der Lebensdauer von Pressen, Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, PZH Verlag, Garbsen, 2015
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- Dämpfung der Stößelschwingungen beim Scherschneiden, ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Januar/Februar 2015, Carl-Hanser-Verlag, München, S. 18 – 22, 2015
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(See online at https://doi.org/10.3139/104.111274) - Dämpfung der Stößelschwingungen beim Scherschneiden mittels piezoelektrischer Aktoren, UTFscience, I/2017, Verlag Meisenbach GmbH, Bamberg, 2017
Behrens, B.-A.; Wallaschek, J.; Krimm, R.; Twiefel, J.; Hasselbusch, T.; Weinstein, M.
- Piezoelektrisches Tilgersystem zur semi-aktiven Reduktion von Stempelschwingungen einer Schnellläuferpresse, VDI Mechatronik Tagung, Dresden, 2017
Weinstein, M.; Twiefel,J., Wallaschek, J.; Behrens, B.-A.; Krimm, R.; Hasselbusch, T.
