Numerical and experimental investigations of rotational swing folding
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde das neuartige, inkrementelle Blechumformverfahren Rotationsschwenkbiegen entwickelt. Zur Realisierung dieser Technologie wurde ein Maschinen- und Steuerungskonzept erarbeitet, um eine Universaldrückmaschine entsprechend der Verfahrenskinematik zu erweitern. Diese bedingt eine außermittige Schwenkachse während der Umformung, wodurch zwischen Werkzeug und Werkstück nur minimale Zugspannungen entstehen und demzufolge eine geringe Blechausdünnung auftritt. Gleichzeitig entsteht verfahrensbedingt eine Materialaufdickung der Mantelfläche, welche ungleichmäßig über den Umfang verteilt ist. Während der Umformung entstehen aufgrund des überschüssigen Volumens tangentiale Druckspannungen. Diese führen zur Faltenbildung welche nur teilweise wieder geglättet werden kann. Die Untersuchung der Mechanismen die zur Faltenbildung und Blechausdünnung führen und die anschließende Reduzierung dieser Effekte ist Ziel des Forschungsprojektes. In experimentellen Grundlagenuntersuchungen konnte die Blechdickenverteilung bestätigt werden. Zudem wurde die Faltenbildung hinsichtlich der Parameter relativer Vorschub, Hauptspindeldrehzahl, Rondendurchmesser und Blechdicke kategorisiert. Dadurch konnte für die Faltenbildung festgestellt werden, dass große Rondendurchmesser, geringe Blechdicken, hohe relative Vorschübe, niedrige Drehzahlen und ein niedriger E-Modul diese begünstigen. Durch das Rotationsschwenkbiegen können Blechhohlkörper hergestellt werden, welche im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren eine Blechaufdickung der Mantelfläche sowie eine ungenügende Formgenauigkeit aufweisen. Jedoch können diese Bauteile für Folgeverfahren als geeignete Halbzeuge verwendet werden, aufgrund der Blechaufdickung im Bereich der Mantelfläche. Somit reduziert sich die Blechausdünnung am finalen Bauteil und die ungenügende Formgenauigkeit wird durch das Folgeverfahren (z.B. Formdrücken) kompensiert. Auf Basis der experimentellen Grundlagenuntersuchungen wurde ein Simulationsmodell verifiziert, bei dem durch numerische Optimierung eine deutliche Reduzierung der Berechnungsdauer erzielt werden konnte. Im Rahmen der Prozessanalyse wurde deutlich, dass die Faltenbildung durch eine höhere Bauteilsteifigkeit reduziert werden kann. Dazu sind Untersuchungen hinsichtlich der Werkzeuggeometrie durchgeführt wurden, wobei die Variation des Werkzeugdurchmessers sowie die Verwendung einer balligen Rollenform keine signifikante Reduzierung der Faltenbildung bewirken. Durch die Änderung der Werkzeugform zu einer Kegelstumpfrolle wird die Umformung in zwei Stufen aufgeteilt. Dabei wird während der ersten Prozessstufe in einer sekundären Umformzone ein Kegel ausgeformt und anschließend in der zweiten Prozessstufe das Bauteil hergestellt. Im Bereich des Übergangsradius der Werkzeugflächen entsteht während der Umformung am Bauteil eine umlaufende erhöhte Blechausdünnung. Jedoch kann über den Umfang verteilt eine homogene Blechdicke erzielt werden. Zusätzlich entsteht ein faltenfreies Bauteil auch für größere Rondendurchmesser als beim Rotationsschwenkbiegen mit zylindrischem Werkzeug. Dabei beeinflusst die Rollengeometrie maßgeblich das Bauteil, indem ein kleiner Radius zwischen den beiden Werkzeugflächen einen umlaufenden Bereich mit erhöhter Blechausdünnung zu Folge hat. Im Gegenteil dazu entstehen für große Radien jedoch Falten im ersten Prozessschritt, welche nicht wieder geglättet werden können. Das Rotationsschwenkbiegen mit Kegelstumpfrolle ermöglicht die faltenfreie Herstellung rotationssymmetrischer Hohlkörper mit geringer Blechausdünnung. Die Kombination des Rotationsschwenkbiegens mit Formdrücken führt zu einer deutlichen Verbesserung der Formgenauigkeit und der Blechdickenverteilung der Mantelfläche. Dadurch entstehen im Vergleich zu konventionellen Blechumformverfahren rotationssymmetrische Bauteile, welche bei vergleichbarer Formgenauigkeit im Bereich der Mantelfläche eine Aufdickung beziehungsweise keine Ausdünnung nach der Umformung aufweisen. Dadurch besitzen diese Bauteile einen signifikanten Vorteil bei der Verwendung als Halbzeuge für Folgeumformverfahren. Zusätzlich kann bei der Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile eine geringere Ausgangsblechstärke Anwendung finden und dadurch Material und Gewicht eingespart werden.
Publications
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New processing technologies of incremental sheet metal forming. 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP, 19.-24. October, Nagoya, Japan, 2014, Procedia Engineering, 81, 2014, Pages 2311–2317
Härtel, S.; Awiszus, B.
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Numerische Verfahrensentwicklung des Rotationsschwenkbiegens. 16. RoundTable Simulating Manufacturing, 19.-21. Mai, Marburg, 2015; ISBN/ISSN: 978-3-9813814-4-3
Laue, R.; Härtel, S.
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An optimization approach in non-circular spinning. Journal of Materials Processing Technology, Volume 229. 2016, S. 417-430
Härtel, S.; Laue, R.
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Von der Idee zum Patent mit simufact – Innovationen an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik. 17. RoundTable Simulating Manufacturing, 31. Mai-02. Juni, Marburg, 2016
Gerstmann, T.; Härtel, S.; Laue, R.; Awiszus, B.
