hydro-umformung

Reimund Neugebauer (Hrsg.)

Hydro-Umformung

Reimund Neugebauer (Hrsg.)

Hydro-Umformung

Mit 240 Abbildungen und 17 Tabellen

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Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Reimund Neugebauer

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinenund Umformtechnik IWUReichenhainer Str. 8809126 Chemnitz, [email protected]

Einbandbild: Unter Verwendung von Bildmaterial der Firma SiebenwurstWerkzeugbau GmbH Zwickau.

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ISBN-10 3-540-21171-3 Springer Berlin Heidelberg New YorkISBN-13 978-3-540-21171-6 Springer Berlin Heidelberg New York

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Satz: Digitale Druckvorlage des HerausgebersHerstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, LeipzigEinbandgestaltung: medionet AG, Berlin

Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3100/YL – 5 4 3 2 1 0

Vorwort

Das vorliegende Buch Hydro-Umformung versteht sich als ein Angebot. Der Technologiebereich der wirkmedienbasierten Umformverfahren,

dem die Hydro-Umformung zuzurechnen ist, hat sich in den letzten Jahren überaus dynamisch entwickelt. Basierend auf zumeist an Forschungsein-richtungen geleisteter Vorentwicklung und überwiegend in der industriel-len Anwendung erfolgter Bestätigung hat speziell in Deutschland ein signi-fikanter Wissenszuwachs in diesem Verfahrenssegment stattgefunden.

Know-how wurde dabei vorzugsweise in der konkreten Anwendung er-arbeitet. Ergebnis- und Erkenntnisvermittlung fand bisher überwiegend im direkten fachlichen Austausch, insbesondere durch Tagungen und Veröf-fentlichungen in Fachzeitschriften statt.

Eine in sich geschlossene, systematische Darstellung des Themas Hydro-Umformung, sowohl von Grundlagenwissen als auch von anwen-dungsorientierten Ergebnissen, fehlte bislang. Diese Lücke will das vorlie-gende Buch schließen.

Es stützt sich dabei in seinem Inhalt im Kern auf die geleistete, mehr als zehnjährige intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit in diesem Themengebiet am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Um-formtechnik IWU in Chemnitz. Die dabei gesammelten Erkenntnisse und ausgewählte Ergebnisse, erzielt in Zusammenarbeit mit Partnern aus For-schung und Industrie in den Bereichen der prozessorientierten Technolo-gie, der Werkzeug- und Maschinentechnik sowie zum Systemengineering für die Hydro-Umformung bilden die Basis für den vorzugsweise anwen-dungsorientierten Inhalt zu diesem Buch. Durch die ergänzende Einbin-dung von verfahrensspezifischen Grundlagen kann es sowohl für den Prak-tiker als Nachschlagewerk oder Ideengeber als auch als Lehrbuch für den Studierenden oder Neueinsteiger von Nutzen sein. Die Autoren wählten hierbei eine bewusst erfahrungsorientierte Darstellung, untersetzt auch im Bildmaterial durch Beispiele aus konkreten Entwicklungsvorhaben.

Das Buch konzentriert sich schwerpunktmäßig auf den Einsatz von Flüssigkeiten als Wirkmedium. Aus technologischer Sicht wird dem As-pekt der Betrachtung in Prozessketten – als dem entscheidenden Erfolgs-kriterium für eine effiziente Fertigung in der Umformtechnik – breiter Raum gewidmet. Dabei werden sowohl Prozessketten, ausgehend vom

VI Vorwort

Rohr oder Hohlprofil als Halbzeug (bekannt als die klassische Technologie der Innenhochdruck-Umformung) als auch Prozessketten, ausgehend von ebenen Blechplatinen, betrachtet. Ergänzend erfolgt die Darstellung aus-gewählter Verfahrensadaptionen, u.a. zur thermischen Hydro-Umformung und zur Verfahrensintegration, z.B. dem Fügen.

Einen besonderen Wert für den Leser stellt sicher auch das umfangrei-che Literaturverzeichnis des Buches dar, welches das eigenständige Fort-führen und Vertiefen ausgewählter Aspekte erleichtert.

Das vorliegende Buch entstand unter maßgeblicher Mitwirkung meiner jetzigen und früheren Mitarbeiter Dipl.-Ing. Volker Bahn, Dr.-Ing. Hans Bräunlich, Dipl.-Ing. Uwe Hausstädtler, Dipl.-Ing. Wilhelm Henning, Dipl.-Ing. Carsten Hochmuth, Dipl.-Ing. Michael Hoffmann, Dr.-Ing. Lutz Klose, Dipl.-Ing. Petr Kurka, Dr.-Ing. Lutz Lachmann, Dipl.-Ing. Thomas Lieber, Dipl.-Ing. Uwe Lorenz, Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Dr. rer. nat. Detlef Michael, Dr.-Ing. Steffen Noack, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Sebastian Ortmann, Dr.-Ing. Thomas Päßler, Dr.-Ing. Matthias Putz, Dr.-Ing. Hans-Jürgen Roscher, Dipl.-Ing. Michael Seifert, Dr.-Ing. Andreas Sterzing und Dipl.-Ing. Matthias Weiser. Für die Koordination der Arbeiten am Buch und die redaktionelle Bearbeitung waren Frau Dipl.-Ing. Anja Schmieder und Herr Dipl.-Ing. Wolfram Altmann verantwortlich. Allen Genannten sowie den vielen Helfern bei der Entstehung dieses Buches danke ich für das gezeigte Engagement sehr herzlich.

Chemnitz, im Juli 2006 Reimund Neugebauer

Autorenverzeichnis

Name Anschrift Mitarbeit an Hauptkapitel

Dipl.-Ing. Volker Bahn

Fraunhofer-Institut für Werkzeug-maschinen und Umformtechnik IWU Reichenhainer Straße 88 09126 Chemnitz

3, 4

Dr.-Ing. Hans Bräunlich


3, 4

Dipl.-Ing. Uwe Hausstädtler

Technische Universität Chemnitz Fakultät Maschinenbau Professur für Werkzeugmaschinen-konstruktion und Umformtechnik 09107 Chemnitz

3

Dipl.-Ing. Wilhelm Henning


5

Dipl.-Ing. Carsten Hochmuth


4

Dipl.-Ing. Michael Hoffmann


5

Dr.-Ing. Lutz Klose

Magnetto Automotive Deutschland GmbH Treuener Höhe 1 08233 Treuen

4

Dipl.-Ing. Petr Kurka


3

VIII Autorenverzeichnis

Dr.-Ing. Lutz Lachmann

Technische Universität Chemnitz Fakultät Maschinenbau Professur für Werkzeugmaschinen-konstruktion und Umformtechnik 09107 Chemnitz

3

Dipl.-Ing. Thomas Lieber


4

Dipl.-Ing. Uwe Lorenz

ITW e. V. Chemnitz Institut für Innovative Technologien Neefestraße 88 09116 Chemnitz

3

Dr.-Ing. Reinhard Mauermann

Fraunhofer-Institut für Werkzeug-maschinen und Umformtechnik IWU Nöthnitzer Straße 44 01187 Dresden

3

Dr. rer. nat. Detlef Michael


3

Dr.-Ing. Steffen Noack


2, 5

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Sebastian Ortmann


4

Dr.-Ing. Thomas Päßler


4

Dr.-Ing. Matthias Putz


1, 6, 7

Dr.-Ing. Hans-Jürgen Roscher


5

Dipl.-Ing. Michael Seifert


3

Autorenverzeichnis IX

Dr.-Ing. Andreas Sterzing


2, 3

Dipl.-Ing. Matthias Weiser


3

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung ..............................................................................................11.1 Anliegen und Zielsetzung.................................................................11.2 Historischer Abriss ...........................................................................41.3 Anwendungspotenzial ......................................................................9

2 Grundlagen............................................................................................152.1 Verfahrensspezifik..........................................................................152.2 Fluidisches System .........................................................................172.3 Kenngrößen ....................................................................................192.4 Typische Versagensfälle.................................................................21

2.4.1 Rohre und Profile.....................................................................212.4.1.1 Bersten..............................................................................212.4.1.2 Falten ................................................................................222.4.1.3 Knicken ............................................................................23

2.4.2 Bleche ......................................................................................242.4.2.1 Einschnüren und Bersten ..................................................242.4.2.2 Falten ................................................................................26

2.5 Tribologie .......................................................................................27

3 Prozessgestaltung..................................................................................333.1 Bauteildesign ..................................................................................33

3.1.1 Systematik der Bauteilgeometrie.............................................333.1.2 Anforderungen an das Bauteil .................................................383.1.3 Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung .....................................393.1.4 Funktionsoptimierte Bauteile ..................................................44

3.2 Halbzeugeinsatz..............................................................................463.2.1 Werkstoffe für die Hydro-Umformung ...................................463.2.2 Rohre und Profile.....................................................................52

3.2.2.1 Durchgängige Rohre und Profile......................................523.2.2.2 Konische Rohre ................................................................543.2.2.3 Abgesetzte Rohre..............................................................553.2.2.4 Gefügte Rohre und Profile................................................56

3.2.3 Blechzuschnitte........................................................................59

XII Inhaltsverzeichnis

3.2.4 Umformteile ............................................................................623.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen ................................64

3.3.1 Vorformen ...............................................................................643.3.1.1 Technologischer Aspekt ...................................................643.3.1.2 Verfahrensvarianten .........................................................65

3.3.2 Hauptformgebungsprozess ......................................................713.3.2.1 Verfahrensvarianten .........................................................713.3.2.2 Prozessbeschreibung.........................................................773.3.2.3 Definition der Prozessparameter ......................................803.3.2.4 Typische Prozesslösungen................................................84

3.4 Hydro-Blechumformung ................................................................903.4.1 Vorformen ...............................................................................90

3.4.1.1 Einzelplatinen...................................................................913.4.1.2 Doppelplatinen .................................................................933.4.1.3 Gefügte Platinen ...............................................................94

3.4.2 Hauptformgebungsprozess ......................................................963.4.2.1 Prozessbeschreibung.........................................................973.4.2.2 Berechnen und Abschätzen ..............................................993.4.2.3 Erläuterungen zu ausgewählten Prozessparametern.......1033.4.2.4 Verfahrensvarianten .......................................................1043.4.2.5 Typische Prozesslösungen..............................................108

3.5 Verfahrensadaption.......................................................................1183.5.1 Thermische Hydro-Umformung ............................................1183.5.2 Metallschaum in Hydro-Umformteilen .................................1213.5.3 Verfahrensintegration ............................................................126

3.5.3.1 Schneiden und Lochen ...................................................1263.5.3.2 Tiefziehen, Prägen und Biegen.......................................1303.5.3.3 Fügen ..............................................................................134

3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung.......1413.6.1 Einsatzfelder und Systeme.....................................................1413.6.2 Derzeitiger Stand und erreichte Ergebnisse...........................1433.6.3 Handlungsbedarf und Entwicklungspotenzial .......................144

3.7 Qualitätssicherung ........................................................................1473.7.1 Erreichbare Genauigkeiten ....................................................1473.7.2 Mess- und Prüftechnik...........................................................1503.7.3 Schadens- und Fehleranalyse.................................................1533.7.4 Prozessmonitoring und Überwachungssysteme ....................1553.7.5 Prozessregelsysteme ..............................................................158

4 Werkzeugtechnik ................................................................................ 1634.1 Werkzeugkonzepte .......................................................................163

4.1.1 Dimensionierung ...................................................................163

Inhaltsverzeichnis XIII

4.1.1.1 Grundsätzliche Ausführungsvarianten ...........................1634.1.1.2 Werkzeugwerkstoffe.......................................................1654.1.1.3 Wärmebehandlungsverfahren.........................................1684.1.1.4 Lage der Teilungsebene..................................................1694.1.1.5 Lokalisierung der Ax ial- und Radialzylinder .................1724.1.1.6 Andocksysteme...............................................................172

4.1.2 Belastung ...............................................................................1814.1.3 Berechnungsmethoden...........................................................1844.1.4 Beschichtungen......................................................................189

4.2 Werkzeugfertigung und -wartung.................................................1904.2.1 Bearbeitungscharakteristik ....................................................1904.2.2 Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen ...................................191

4.2.2.1 Theoretische Vorbetrachtung .........................................1914.2.2.2 Bearbeitung eines Referenzteils .....................................193

4.2.3 Wartung .................................................................................1964.3 Tryout und Werkzeugerprobung...................................................197

5 Maschinen............................................................................................2035.1 Einordnung in das Anlagenkonzept..............................................2035.2 Übersicht.......................................................................................204

5.2.1 Funktionen.............................................................................2045.2.2 Prinzipieller Aufbau ..............................................................2065.2.3 Parameter ...............................................................................207

5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)......................................2095.3.1 Funktionen.............................................................................2105.3.2 Aufbauprinzipien ...................................................................2135.3.3 Kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Hydraulische Pressen......................................................................2145.3.4 Formschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Verriegelter Stößel..........................................................................2195.3.5 Mehrfach-Anordnungen ........................................................229

5.4 Innendruckachse ...........................................................................2305.4.1 Aufbau und Funktionen .........................................................2305.4.2 Druckerzeuger .......................................................................2345.4.3 Füllsysteme............................................................................2375.4.4 Fluidaufbereitung...................................................................239

5.5 Axialachsen ..................................................................................2435.5.1 Aufbau und Funktionen .........................................................2435.5.2 Hydraulische Steuerkette .......................................................248

5.6 Niederhalter ..................................................................................2515.7 Maschinensteuerung .....................................................................2555.7.1 Funktionen .................................................................................255

XIV Inhaltsverzeichnis

5.7.2 Steuerungsarchitektur ................................................................2575.7.3 Bedienkonzepte .........................................................................260

6 Planung von Hydro-Umformprozessen ............................................ 2656.1 Grundlegende Aspekte de r Planung von Hydro-Umform- prozessen ............................................................................................2656.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems............................268

6.2.1 Hydro-Umformanlage ...........................................................2696.2.2. Hydroumform-Fertigungssysteme........................................271

6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele ............................................2726.3.1 Abgasbauteil als IHU-Doppelteil ..........................................2726.3.2 IHU-Strukturbauteil als Space-Frame-Komponente .............2746.3.3 IHU-Bauteile als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger ...............................................................................2766.3.4 Hydro-Umformteile als Komponenten flächiger Karosseriestrukturen.......................................................................277

7 Ausblick ............................................................................................... 281

Literaturverzeichnis .............................................................................. 283

Symbole................................................................................................... 297

Stichwortverzeichnis.............................................................................. 301

1 Einführung

1.1 Anliegen und Zielsetzung

Die Hydro-Umformung, insbesondere die Innenhochdruck-Umformung (IHU), gilt heute als eine Fertigungstechnologie mit hoher industrieller Akzeptanz und großem Innovationspotenzial.

Mit der Wahl der Bezeichnung Hydro-Umformung wird ein thema-tischer Überbegriff verwendet, der die großen Bereiche sowohl der Innen-hochdruck-Umformung von Rohren und Hohlprofilen als auch der Hochdruck-Blechumformung und alle in der Praxis auftretenden Verfah-rensvarianten erfasst.

Für die verschiedenen Verfahrensvarianten haben sich im allgemeinen Sprachgebrauch unterschiedliche Begriffe und Bezeichnungen eingebür-gert. Zumindest für den Bereich der Innenhochdruck-Umformung hat der Unterausschuss „Wirkmedienbasiertes Umformen“ des Arbeitsausschusses „Begriffe der Fertigungsverfahren“ im Normenausschuss Technische Grundlagen auf der Basis der VDI-Richtlinien VDI 3146-1 und VDI 3146-2 begriffliche Definitionen und bildhafte Darstellungen erarbeitet [38].

An diesen begrifflichen Definitionen und bildhaften Darstellungen ori-entieren sich alle Bezeichnungen und bildhaften Darstellungen der im Buch Hydro-Umformung behandelten Verfahren bzw. Verfahrensvarian-ten.

Dem IHU-Verfahren selbst liegt ein einfaches Prinzip zugrunde: Vor-zugsweise rohrförmige, z.T. vorgebogene Halbzeuge werden in ein Werk-zeug mit abzubildender Innenkontur eingelegt, das Werkzeug wird ge-schlossen, das Rohr oder Profil über vorwiegend axiale Dichtsysteme verschlossen, mit einer Flüssigkeit gefüllt und das Teil in zumeist einem Arbeitsschritt durch gesteuerten Aufbau eines Innendrucks im Halbzeug in die vorgegebene Form gedrückt. Zur Ausbildung bestimmter Formelemen-te kann dabei in Achsrichtung gezielt Material nachgeschoben werden.

Nachdem in ersten Entwicklungsetappen (Ende der 80er, Anfang der 90er Jahre) insbesondere unter aktiver Führungsrolle deutscher Unterneh-men und Forschungseinrichtungen grundsätzliche Fragen der Machbarkeit und praktischen Nutzung geklärt wurden, die motivierend bei der Einfüh-

2 1 Einführung

rung neuer Produkte über Prototypen bis zu ersten Serienanwendungen wirkten, stand in der zweiten Hälfte der 90er Jahre die breite industrielle Nutzung der Technologie mit progressiv wachsendem Anwendungsspekt-rum in Typenvielfalt und Produktionsvolumen im Vordergrund. In den nachfolgenden Jahren fand eine Konsolidierung im Anwendungsumfeld statt, beeinflusst durch den Übergang zu Fertigungssystemen mit geschlos-senen Prozessketten und Turn-Key-Lösungen. Die aktuelle Anwendung als ein serieneingeführtes Verfahren findet unter starkem Wettbewerbsdruck alternativer klassischer Fertigungen insbesondere unter Kostenkriterien statt.

Das Innenhochdruck-Umformen von Rohren, Profilen und Blechen ist in der aktuellen industriellen Praxis zu einem festen Bestandteil bei der Herstellung zahlreicher Bauteile und Komponenten sowohl im Automo-tive- als auch im Non-Automotive-Bereich geworden. Inzwischen ist ein signifikanter Erfahrungs- und Wissensschatz bezüglich der praktischen Anwendung in vielen Bereichen verfügbar.

Der Darstellung und Vertiefung dieses Wissens ist dieses Buch gewid-met. Es wendet sich dabei sowohl an den Studierenden, indem es eine sys-tematische Einführung und Darstellung der wesentlichen fachlichen Grundlagen und Aspekte dieser Technologie bietet, als auch an den bereits mit der Applikation befassten Ingenieur und Entwickler, indem insbeson-dere Erfahrungswissen aus Anwendung und Forschung nachvollziehbar aufbereitet und dargestellt wird.

Im Hauptkapitel 2 – Grundlagen – werden neben der technologischen Spezifik des Verfahrens die wichtigsten Kenngrößen des Hydro-Umform-prozesses sowie typische Versagensfälle dem Anliegen des Buches ent-sprechend ebenso behandelt wie die für die Hydro-Umformung wesentli-chen Bereiche des fluidischen Systems und der Tribologie.

Die Unterschiede zwischen der Innenhochdruck-Umformung von Roh-ren und Profilen (IHU) und dem Wirkmedienbereich Umformen von Blech, wie der Innenhochdruck-Blechumformung (IHB) und der Außen-hochdruck-Blechumformung (AHB), werden aufgezeigt. Im Vergleich zur konventionellen Umformtechnik erzielbare umformtechnische und wirt-schaftliche Effekte werden deutlich gemacht.

Im Hauptkapitel 3 – Prozessgestaltung – wird, ausgehend vom Bauteil-design als einem im Technologiekonzept überaus relevanten Aspekt sowie der Halbzeugauswahl, vertiefend auf die typischen Prozesslösungen beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen einerseits und der Hydro-Blechumformung andererseits eingegangen. Dabei werden verschiedene Verfahrensvarianten nach den während der Umformung auftretenden Spannungen klassifiziert. Verfahrensadaptionen, wie die Nutzung der Temperatur als Prozessparameter beim thermischen Hydro-Umformen und

1.1 Anliegen und Zielsetzung 3

Verfahrenskombinationen unter Einbindung weiterer Formgebungsprozes-se, schließen sich in der Darstellung an. Stand, Bedeutung und Handlungs-bedarf bei der Nutzung der Methode der Finiten Elemente (FEM) in der Simulation und Optimierung von IHU-Abläufen ergänzen dieses Kapitel. Abschließend werden Themen der Qualitätssicherung behandelt, u.a. Fra-gen des Monitoring beim Hydro-Umformen und die Fehler- und Schadens-analyse.

Hauptkapitel 4 ist der Werkzeugtechnik gewidmet. Dies ist insbesonde-re notwendig, da das IHU als stark werkzeugbezogenes Verfahren zumeist komplexe Werkzeuge bzw. Werkzeugsysteme einschließlich aktiver Wirk-elemente erfordert. Neben der Darstellung grundlegender Werkzeugkon-zepte und Ausführungsvarianten von IHU-Werkzeugen werden in diesem Kapitel Fragen bezüglich der Berechnung, auftretenden Werkzeugbelas-tungen, der Nutzung von Werkzeugbeschichtungen bis hin zur Werkzeug-fertigung, dem Tryout und der Werkzeugerprobung behandelt.

Zur praktischen Umsetzung von IHU-Technologien sind komplexe Ma-schinen und Anlagen erforderlich. Die IHU-Anlage umfasst neben der Schließeinrichtung für das Werkzeug, zumeist eine Presse, insbesondere die Hochdruck- und Hydraulikeinheiten, die Steuerung, sowie vor- und nachgelagerte Handlingeinrichtungen und weitere Bearbeitungsstufen. Diesem Schwerpunkt, insbesondere der Maschinentechnik, widmet sich Hauptkapitel 5.

Im Hauptkapitel 6 – Planung von Hydro-Umformprozessen – steht das Zusammenspiel von technischer Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit in den verschiedenen Etappen der Planungs- und Umsetzungsaktivitäten im Mit-telpunkt. Ebenso werden Anlagenkonzepte für Fertigungssysteme unter Planungsaspekten dargestellt und bewertet. Das Hauptkapitel schließt mit der Darstellung konkreter Planungsbeispiele für IHU-Bauteile.

Der Wert des vorliegenden Fachbuches wird ebenso durch das umfang-reiche Literaturverzeichnis und das Stichwortverzeichnis erhöht, das dem Leser einen effektiven Zugriff auf den Inhalt und auf ergänzende Informa-tionsquellen ermöglicht.

Die Autoren hoffen, dass dieses Buch einen Beitrag zur weiteren Ent-wicklung, Verbreitung und effizienten Nutzung der IHU-Technologie leis-ten kann und wird.

4 1 Einführung

1.2 Historischer Abriss

Bei der Darstellung eines Überblicks zur Historie der Hydro-Umformung erscheint eine Trennung in zumindest zwei grundsätzliche Etappen der Entwicklung und Anwendung dieser Technik sinnfällig.

Zum einen ist dies die als klassisch zu bezeichnende und parallel zur generellen Entwicklung der Umformtechnik als Wissenschaft in Theorie und Praxis und industrielle Technologie ablaufende Etappe der Nutzung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten bzw. in einem allge-meineren Sinne von nichtstarren Medien in verschiedenen technischen Anwendungen und technologischen Verfahrensvarianten. Als ein Start-punkt dieser Etappe ist sicher die Entdeckung des Prinzips der hydrostati-schen Kraftübertragung durch Blaise Pascal in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts anzusehen.

Zum anderen ist dies die neue Etappe der Entwicklung der Hydro-Umformung zu einer letztendlich akzeptierten, serienfähigen und in Groß-serie insbesondere auch im Automotive-Bereich angewandten modernen Umformtechnologie. Der Startpunkt dieser Etappe ist speziell in Deutsch-land Mitte der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts anzusetzen. Neue technisch-industrielle Anforderungen einerseits, so die gestiegene Bedeu-tung des Leichtbaus, andererseits aber auch zur Verfügung stehende neue technische Möglichkeiten, insbesondere durch die numerische Steuerungs-technik für Maschinen und Umformprozesse, führten zu einer überdurch-schnittlichen dynamischen Entwicklung von Konzepten und Anwendun-gen der Hydro-Umformung in den letzten beiden Jahrzehnten.

Etappe 1: Von den Anfängen bis zur Technologieoption Die technische Anwendung von Flüssigkeiten und die Nutzung des Prin-zips der hydrostatischen Kraftübertragung war Bestandteil und z.T. Grund-lage der technischen Entwicklung in Handwerk und Industrie zumindest über die letzten zweihundert Jahre.

Bereits aus dem frühindustriellen England sind zentrale Druckwasser- und Leitungssysteme bekannt, mit deren Hilfe auch der Antrieb von Ma-schinen erfolgte. Erste hydraulisch angetriebene Pressen vervielfachten das Potenzial erzeugbarer und nutzbarer Kräfte, insbesondere auch für diverse Umformoperationen [183].

Als Druckmedium wurde dabei anfänglich zumeist einfach Wasser ge-nutzt. Inwieweit die Aussage stimmt, dass erstmals beim Auspressen von Pflanzenölen – das Leckwasser aus den wasserbetriebenen Presseinrich-tungen verunreinigte das Öl – die Idee aufkam, eben dieses Öl auch als Druckmedium zu benutzen, ist quellenmäßig nicht hinterlegt, erscheint je-

1.2 Historischer Abriss 5

doch als eine durchaus mögliche und sinnfällige Option im Erkenntnispro-zess.

In diesen ursprünglichen Anwendungen der Hydrostatik liegt jedoch der Schwerpunkt einzig in der Erzeugung und Übertragung von Kräften durch Flüssigkeiten. Die medienführenden Elemente, insbesondere Rohrleitun-gen und Zylinder, dürfen sich dabei für eine sichere Funktion des Systems nicht verformen, d.h. sie sind als starr bzw. nur in zulässigen Grenzen elastisch zu betrachten. In einem Umformprozess sind bleibende, d.h. plas-tische Formänderungen das Ziel. Die umformende Kraft muss die Fließ-spannung des Werkstoffs überwinden, um eine bleibende neue Form aus-zubilden.

Die Anwendbarkeit von Flüssigkeiten zur Umformung von sowohl rohr-förmigen als auch ebenen Halbzeugen wurde dabei bereits frühzeitig er-kannt. Erste Anwendung fand das Verfahren vor allem bei der Erzeugung und beim Biegen von Rohrstücken [118].

Belegbar ist, dass die Erfindung des hydromechanischen Tiefziehens, das der wirkmedienbasierten Blechumformung zugerechnet wird, mutmaß-lich ihre Ursprünge in Deutschland hat. 1886 meldete Erdmann Kircheis aus Aue/Sachsen ein Patent für eine „Hydraulische Stanze für Blechwa-ren“ [28] an, dessen Verfahrensbeschreibung in vielen Merkmalen der De-finition des hydromechanischen Tiefziehens entspricht. So wird im Patent-Anspruch festgehalten, dass „eine Flüssigkeit entweder als eigentliche Matrize oder Patrize angewendet wird“. Die Anlage verfügte über einen Wasserkasten und ein Regelungsventil.

Neben dem Wirkmedium selbst war in dieser ersten Entwicklungsetappe zumeist das erreichbare, sicher bereitstellbare bzw. technisch realisierbare Druckniveau eine noch begrenzende Größe.

Betrachtet man die Hydro-Umformung als eines der Verfahren der Um-formung durch nichtstarre Medien, zu denen neben Flüssigkeiten auch Gase und im weiteren Sinne auch granulierte Feststoffe und Ähnliches zu zählen sind, bieten das zur Anwendung kommende Wirkmedium und das nutzbare Druckniveau Spielräume für weitere Technologievarianten. Ins-besondere die Explosivumformung, d.h. das impulsartige Aufweiten bzw. Umformen durch eine im Gas erzeugte Schockwelle, ist hierbei als eine Art Vorläufer der späteren Hydro-Umformung anzusehen. Neben dem po-sitiven Aspekt der Nutzung des geänderten Verhaltens des umzuformen-den Werkstoffs bei Hochgeschwindigkeit sind kurzzeitig sehr hohe Drücke zur plastischen Umformung technisch relativ effizient erzeugbar. Der den Einsatz dieses Verfahrens begrenzende Nachteil liegt darin, dass der Druckaufbau überwiegend ungesteuert und nach Auslösung des Prozesses nicht beeinflussbar abläuft. Es ist anzumerken, dass speziell dieser Aspekt – die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Wirkdrucks und die Synchronisation

6 1 Einführung

mit den weiteren prozessbestimmenden Kraftwirkungen – ein entscheiden-des Kriterium bei der Weiterentwicklung und breiten Anwendung der Technologie der Hydro-Umformung dargestellt hat bzw. darstellt.

Nach dem Zweiten Weltkrieg erhielt die Hydro-Umformung neue Ent-wicklungsimpulse [24]. In das Jahr 1957 fallen wesentliche wissenschaftli-che Veröffentlichungen von Panknin, der das hydromechanische Ziehver-fahren eingehender untersuchte und weiterentwickelte [114]. Parallel wurden erfolgreich und immer intensiver Überlegungen angestellt, die Vorteile des Verfahrens in Anwendungen zu nutzen. In den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts erhielt die Hydro-Umformung neuen Rück-halt und Stärkung, insbesondere durch die Entwicklung zugeschnittener Fertigungseinrichtungen wie z.B. hydraulischen Pressen für die Herstel-lung von T-Fittings in Vielfachformen [117, 118]. Anfang der 70er Jahre wurde dieses Bauteilsortiment im Kupfer-, Messing- und Edelstahlbereich durch das Fertigen zahlreicher Sanitärarmaturen ergänzt.

Das deutsche Unternehmen Schirmer + Plate GmbH (nach dem Zusam-menschluss mit der G. Siempelkamp GmbH seit 1982 G. Siempelkamp GmbH & Co. KG) stieg 1965 in den Bau von Anlagen für die wirkme-dienbasierte Umformung ein [132], mit denen Fittings aus weichen Mate-rialien wie Kupfer produziert werden konnten, und war damit einer der ersten IHU-Anlagenhersteller [31]. Fittings und ähnliche durch IHU gefer-tigte Teile dominierten zunächst, weil sich hier der technologische Schwie-rigkeitsgrad in Grenzen hielt und der Verfahrensablauf auch über empiri-sche Methoden zu bestimmen war. Bauteile derartiger Formen wurden durch IHU in der Folgezeit, möglicherweise auch nach unabhängiger Ent-wicklung, in mehreren Ländern produziert, wobei eine Ausdehnung auf Halbzeuge aus harten Werkstoffen wie Stahl und größere Teile (Teile für Anlagenbau) gelang. Liquid bulge forming war in diesem Zeitraum der englische Fachbegriff für das Verfahren. Anwendungen für kompliziertere Werkstücke scheiterten weiterhin an nicht verfügbarer Steuerungstechnik sowie am Fehlen einer praktikablen numerischen Simulation.

Neben Aktivitäten in Deutschland erfolgten etwa zur gleichen Zeit auch in Japan [72, 125, 133] sowie in der damaligen Sowjetunion erste indus-trielle Entwicklungen und Anwendungen von Verfahrensvarianten der Hydro-Umformung. In Japan wurde das Verfahren, benannt hydro punchund bulge forming (Ausbauchen), insbesondere zur Fertigung von Fahrrad-Bauteilen, jedoch auch bereits zum Herstellen von Rohrelementen und Au-tomobilbauteilen angewendet. Eine wesentliche Veröffentlichung japani-scher Ingenieure zum IHU von Rohren erschien 1968 [111]. Im Gebiet des ehemaligen Rates für Gegenseitige Wirtschaftshilfe (RGW-Comecon), das vor allem die sozialistischen Staaten in Mittel- und Osteuropa umfasste, waren Aktivitäten im Bereich der wirkmedienbasierten Umformung zu

1.2 Historischer Abriss 7

verzeichnen, deren Schwerpunkte in der Sowjetunion lagen. Dort dürfte spätestens seit Anfang der 70er Jahre an diversen Projekten gearbeitet worden sein, wobei auch theoretischen Belangen recht breiter Raum einge-räumt wurde. Intensiv untersuchte man in der Sowjetunion das hydrome-chanische Tiefziehen, dabei kann auch von Serienanwendungen ausgegan-gen werden [22, 174]. In der DDR wurden Forschungen zum Thema seit Mitte der 70er Jahre geleistet, wobei eine Konzentration auf das Aufweiten bzw. Ausbauchen von Rohren festzustellen ist [32, 191]. Relativ zeitig machte man entsprechende Überlegungen in der Tschechoslowakei, wo bereits 1964 eine Veröffentlichung zur Fertigung hohler Achsen für Schie-nenfahrzeuge festzuhalten ist [167]. Später wurden dort auch Untersu-chungen zur hydraulischen Rohraufweitung durchgeführt [176].

In dieser Zeit wurden noch relativ wenige Anlagen speziell für die wirk-medienbasierte Umformung gebaut, sie trugen zumeist den Charakter von Sondermaschinen. Eine gewisse Ausnahmestellung nahmen die „Quintus“-Membran-Hochdruckpressen ein, die auf eine Entwicklung eines ABB-Vorläuferunternehmens zurückgingen. Hier wurden bereits seit den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts stetig Anlagen zur Blechumformung an Kunden geliefert (zwischen 1970 und 1989 nach Firmenangaben über 70 Quintus-Hochdruckpressen), von denen ein beträchtlicher Teil der Luft-fahrtindustrie zuzurechnen ist [55]. In diesen Zeitraum fällt auch die indus-trielle Einführung der wirkmedienbasierten Umformung mit Hilfe von Gasdruck und hohen Verfahrenstemperaturen von bis zu 1.000 ºC, wobei die Hauptanwender des Verfahrens bis heute ebenfalls im Aerospace-Sektor zu finden sind. Diese Technologie ermöglicht vor allem bei der Verwendung von superplastischen Legierungen extreme Umformgrade.

Neben der Einheit zur Bereitstellung des zur Umformung erforderlichen Hochdrucks und der Schließeinrichtung zur Erzeugung der Zuhaltekräfte am Werkzeug erforderte die Ausformung komplexer Konturen an IHU-Bauteilen zusätzlich gesteuerte Antriebsbewegungen im IHU-Werkzeug, insbesondere das Aufbringen von Axialkräften für die Erzeugung axialer Druckspannungen am Werkstück.

Die hierfür erforderliche hydraulische Antriebstechnik sowie neue nu-merische steuerungstechnische Lösungen in Hard- und Software standen etwa ab Mitte der 80er Jahre bereit. Der massive Bedarf der Industrie, hauptsächlich der Automobilindustrie, an neuen technologischen Ferti-gungslösungen für komplexe Bauteile in Leichtbauausführungen stellte die Grundlage für die zweite, dynamische Etappe in der Entwicklung der Hydro-Umformung dar.

8 1 Einführung

Etappe 2: Von einer Nischentechnologie zum Serienkonzept im Automobil-bereichEnde der 80er, Anfang der 90er Jahre wurden dem Umformen durch In-nendrücke mit großer Intensität immer neue Anwendungsgebiete in unter-schiedlichen Industriebereichen, insbesondere jedoch in der Automobilin-dustrie erschlossen.

Eine neue Qualität wurde in der wirkmedienbasierten Umformung um 1990 erreicht, als sich für die aufgestauten Probleme in der Steuerungs- und Simulationstechnologie praktikable Lösungen abzeichneten. In der Folge wurde eine Vielzahl von Aktivitäten in Forschung und Industrie ausgelöst, die gegen Ende des Jahrzehnts einen ersten Höhepunkt erreich-ten. In der Zwischenzeit waren die komplexen Vorgänge vor allem in der Innenhochdruck-Umformung so weit verstanden, dass kompliziertere und rentable Anwendungen für die Serienfertigung möglich und verstärkt An-lagen zur wirkmedienbasierten Umformung von Rohren und Profilen in Betrieb genommen wurden. Beispiele hierfür sind die 1990 bei GSA (Ge-senkschmiede Schneider Aalen) weltweit erste automatisch arbeitende IHU-Anlage oder auch das im BMW-Werk in Dingolfing seit 1994 arbei-tende automatische IHU-Fertigungszentrum. Die Anlagen wurden nun-mehr auch mit Automatisierungstechnik wie Magazinbeschickung, Indus-trierobotern und Werkzeugwechselsystemen ausgestattet. In die Gesamtkonzeptionen wurden automatische Einrichtungen eingebunden, die die gesamte Prozesskette, somit auch das Vor- und Nachbearbeiten der Rohrhalbzeuge, bestehend aus Vorformeinrichtungen und Biegemaschi-nen, Vorrichtungen zum Beschneiden, Lochen und Prüfen integrierten.

Neben Problemen der Simulation und der aktiven Prozesssteuerung rückten fortan Untersuchungen zur wirkmedienbasierten Blechumformung stärker in den Mittelpunkt der Überlegungen. Perspektivisch wird dabei eine sinnvolle partielle Substitution und Ergänzung zur klassischen Blech-umformung mit mechanischen und hydraulischen Tiefzieh-Pressen ange-strebt.

Ein augenfälliger Kristallisationspunkt der wirkmedienbasierten Um-formung in Forschung, Entwicklung und auch in der Produktion wurde Deutschland. Diese Tatsache wird der Gegenwart großer Hersteller für Umformtechnik, deren Produkte überwiegend im Hochpreissegment ange-siedelt sind, zahlreicher produktionstechnischer Institute sowie weltweit führender Unternehmen des Automotive-Sektors geschuldet sein, die das vielfältige Potenzial der wirkmedienbasierten Umformung erkannten und mannigfaltige Bestrebungen für eine Evolution unterstützen. Als treibende Kraft und wichtigster Abnehmer von Technologien der wirkmedienbasier-ten Umformung erwiesen und erweisen sich dabei die Automobilindustrie, deren Zulieferer und die Luftfahrtindustrie.

1.3 Anwendungspotenzial 9

Parallel zur Entfaltung der wirkmedienbasierten Umformung wurden neue Bezeichnungen für Varianten des Verfahrens kreiert, wobei in diesem Prozess Marketing-, Abgrenzungs- und Patentaspekte eine Rolle gespielt haben dürften. Im englischen und amerikanischen Sprachraum wird dage-gen seit den frühen Tagen des Verfahrens fast ausnahmslos der Oberbe-griff Hydroforming verwendet, der trotz anders lautender VDI-Normungen zunehmend auch in deutschsprachige Publikationen eindringt.

Gegenwärtig produzieren rund 20 Unternehmen aus Westeuropa, Japan und den USA diverse Maschinentypen für die Hydro-Umformung von Rohren, Profilen und Blechen. Nach den Boomjahren ist seit der Jahrtau-sendwende eine gewisse Konsolidierung festzustellen, deren Ursachen diskutiert und die durch Verfahrensverbesserungen abgestellt werden müs-sen, um weitere Anwendungsbereiche zu erschließen.

1.3 Anwendungspotenzial

Versehen mit dem Bonus einer Fertigungstechnologie mit hohem Innova-tionspotenzial und überdurchschnittlich gewachsener industrieller Akzep-tanz hat sich die Hydro-Umformung in den letzten zwanzig Jahren einen beachtenswerten Platz unter den in der Praxis angewandten Umformtech-nologien erobert. Einerseits gestützt durch Ergebnisse von Grundlagenun-tersuchungen und anwendungsorientierten Entwicklungen im Bereich der Forschung, andererseits gestärkt durch eine Vielzahl realisierter Bauteillö-sungen im Prototypenbereich und insbesondere in der Serienfertigung bie-tet sich bereits umfangreiches Know-how zur Fortsetzung dieser Tendenz und für weitere, neue Anwendungen an.

Verfahren der Hydro-Umformung haben vor allem in der Fahrzeug- und Automobilzulieferindustrie einen hohen Stellenwert. Abgasteile, Träger-struktur- und Karosserieelemente, hergestellt in großen Stückzahlen durch Hydro-Umformung, ermöglichen Energie- und Materialeinsparungen durch Leichtbau, ersparen Fügeoperationen wie z.B. Schweißen, ermögli-chen die Umsetzung anwendungsoptimierter Formen und neuer Designer-ideen. Die Integration von Fügeoperationen und das gleichzeitige Lochen in Verbindung mit dem Hydro-Umformvorgang bewirken zusätzliche Vor-teile. Bei geeigneter Verfahrensfolge entstehen einbaufertige Bauteile ggf. bereits in einem Fertigungsschritt, wobei technische und wirtschaftliche Vorteile durch Verringerung der Anzahl von Einzelteilen und notwendiger Fügestellen erschlossen werden.

10 1 Einführung

Im Automotive-Bereich lassen sich schwerpunktmäßig vier Bauteilklas-sen als Anwendungspotenziale für die Hydro-Umformung definieren:

Abgasbauteile − hergestellt vorwiegend aus rost- und hitzebeständigen Edelstählen − charakterisiert durch kleinere Bauteilvolumina, aber komplexe, drei-

dimensionale Formen, häufig zusätzlich in verzweigter Ausführung (Aushalsungen in T-und Y-Form)

− integrative, doppelwandige Strukturen, z.B. bei luftspaltisolierten Ab-gasbauteilen

Fahrwerkbauteile− hergestellt vorwiegend aus klassischen bis höherfesten Stählen, z.T.

auch aus Aluminium − gekennzeichnet durch kleine bis mittlere Bauteilvolumina − häufig in Kombination mit komplexen Vorformoperationen (Biegen ent-

lang der Achse sowie Querschnittsänderungen) − die Anforderungen liegen in der geringen Bauteilmasse bei maximaler

Steifigkeit

Struktur- und Karosseriebauteile − gefertigt sowohl aus klassischen bis höherfesten Stählen als auch aus

Aluminiumlegierungen − zumeist mittlere bis extrem große Bauteil- bzw. Füllvolumina, zusätz-

lich sind häufig komplexe Vorformoperationen erforderlich − Bauteile weisen eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht auf und

zeichnen sich durch gutes Crashverhalten aus

Blechbauteile− Anwendung der Hydro-Umformung von Einzelblechen in verschiede-

nen Verfahrensvarianten und Kombinationen − verschiedenartige Ansätze und Prototypen sind auch als Doppelplatinen-

Anwendungen existent, derzeit jedoch noch wenig serienrelevant und zumeist im Prototyp- bzw. im Entwicklungsstadium; u.a. ungelöste Pro-bleme bei gezieltem Werkstofffluss während der Hydro-Umformung (Dichten und Nachführen in einem Vorgang)

− potentielle Bauteile sind verschiedene Klappen (Motorhaube, Heck-klappe), Dächer, Säulen sowie Kraftstofftanks

Die für die Hydro-Umformung typische Verringerung der Anzahl von Einzelteilen ist insbesondere bei Abgasanlagen und Strukturelementen hervorzuheben, wenn die Grundelemente mit dieser Technologie gefertigt werden. Erhöhte Maßgenauigkeit, verringerter Montageaufwand und bes-


sere Nutzungseigenschaften der Produkte treten in Erscheinung. Die Schwerpunkte Abgasanlagen und Fahrwerksteile bestehen heute als etab-lierte Marktpotenziale für Anwendungen der Hydro-Umformung, wovon ein breites Produktspektrum seit Jahren in Serie produziert wird.

Bei Strukturelementen und Karosseriebauteilen für Kraftfahrzeuge, her-gestellt sowohl aus Rohrhalbzeugen als auch aus ebenen Blechen, stellt sich die Lage differenzierter dar. Hier eröffnet sich der Markt erst mit der konkreten, anwendungsfallbezogenen Bauteil- und Prozesslösung. Dabei sind immer noch bestehende klassische Design- und Konstruktionsprinzi-pien in der Bauteilentwicklung zu überwinden.

Abgassystem

Motorhaube,

Heckklappe,

Türen

Dach

Fahrwerk

A-, B-, C-Säule

Quer- und LängsträgerStand der

Technik

Stand der

Forschung

Legende

Offenes

Potenzial

Nockenwelle

Abb. 1.1. Hydro-Umformanwendungen und Bauteil-Potenzial im Automobil (Auswahl)

Bei der Entwicklung und Realisierung von Fertigungskonzepten für Fahrzeugkomponenten mit Technologiekonzepten der Hydro-Umformung sowohl von Rohren/Hohlprofilen als auch von ebenen Blechen ist daher ein wichtiger Aspekt die Einbindung der gesamten Prozess- und Wert-schöpfungskette in den Lösungsansatz – vom Werkstoff über das Halbzeug zum Umformteil bzw. Bauteil bis hin zur kompletten gefügten Baugruppe. Abbildung 1.1 zeigt eine Übersicht und Einschätzung zum hierbei erreich-ten Stand. Dargestellt wird insbesondere der Reifegrad im Anwendungsni-veau der Hydro-Umformung.

Einzuschätzen ist, dass häufig stark individuelle, erfahrungsgebundene Schwerpunkte bei der Entscheidungsfindung zwischen den Technologieva-rianten im Vordergrund stehen, um bei der Lösung konkreter Aufgaben-stellungen den spezifischen Entwicklungsaufwand und das ergebnisorien-tierte technologische und wirtschaftliche Risiko einzugrenzen.

12 1 Einführung

Neue Impulse für Anwendungsvorteile dieses Verfahrens ergeben sich aus der Nutzung der Hydro-Umformung in Anwendungen der Fügetech-nik. Hier sind u.a. die bekannten unterschiedlichen Varianten der Herstel-lung von Leichtbaunockenwellen zu nennen. Ebenso erweitert die Nutzung thermischer Verfahrensvarianten den Anwendungsbereich der Hydro-Um-formung, insbesondere bei Nichteisenmetallen wie z.B. Magnesium. Diese Technologiesegmente, auch in Verfahrenskombination, sind insgesamt als noch stark entwicklungsgeprägt und nicht abgeschlossen zu betrachten.

Im Non-Automotive-Bereich ist das Bauteilspektrum für die Innen-hochdruck-Umformung traditionell im Bereich medienführender Teile im Leitungsbau in breitester Ausrichtung angesiedelt. Das Anwendungsfeld wird vorwiegend durch Formen aus dem Sanitär- und Wärmetechnikbe-reich sowie aus der Möbel- und Beschlägeindustrie geprägt.

Klassische Formen sind Rohrelemente, insbesondere Verzweigungen. Neuere Entwicklungen gibt es auch hier im Bauteil-Bereich von Verteiler-strukturen, so genannten Verteilerbalken, beispielsweise bei der Ablösung von Strangpressprofilen durch leichtere und kostengünstigere Halbzeuge aus Rohrabschnitten. Auch hier erweitern Verfahrenskombinationen das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung. Beispielhaft seien das Lo-chen und das Aushalsen bzw. Kragenziehen genannt.

Im Non-Automotive-Bereich existiert ein schon langjähriger und als permanent zu kennzeichnender Trend bei der Suche nach neuen Anwen-dungen für die Hydro-Umformung. Dieser Trend verstärkte sich zusätzlich durch den Aufschwung des Verfahrens im Automotive-Bereich. Unter-schiedlichste Teilegruppen und Formen wurden dabei zwar als technolo-gisch grundsätzlich durch Hydro-Umformung herstellbar definiert, aber z.T. aufgrund zu geringer Stückzahlen bzw. zu geringer signifikanter, ins-besondere kostenseitiger Vorteile gegenüber klassischen Verfahren nicht in praktische Anwendung gebracht.

Das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung ist somit nicht allein an der Machbarkeit von Geometrieformen darstellbar. Die praktische Nut-zung dieses Verfahrens, speziell in der Serienfertigung hat auch bekannte Schwachstellen der Technologie zu berücksichtigen. Zu nennen sind ins-besondere:

− relativ lange Zykluszeiten beim IHU-Vorgang für Einzelbauteile im Vergleich zu traditionellen Blech-Umformprozessen

− häufig noch bestehende Wissensdefizite sowohl seitens der Entwickler als auch der Anwender bzgl. gesicherter Typenprozesse und allgemein-gültiger Erfahrungswerte

− relativ hohes erforderliches Investitionsvolumen für Anlagentechnik, z.T. auch für die Werkzeuge


Die erforderlichen Investitionen und Betriebskosten für IHU-Anlagen sind für potentielle Anwender ausschlaggebende Faktoren für die Anwen-dung dieser Technologie und bergen besonders beim Neueinstieg in das Verfahren vorab schwer kalkulierbare Risiken.

Ein wesentliches wirtschaftliches Kriterium ist die Senkung der Werk-zeugkosten bei der Hydro-Umformung durch Integration von Bauteilen und Fertigungsabfolgen. Die potentielle Senkung der Werkzeugkosten ist als Summe des reduzierten Aufwandes in Werkzeugentwicklung, Werk-zeugherstellung und Tryout zu sehen.

Das Potenzial zur Anwendung von Hydroumform-Lösungen wird we-sentlich durch die Beantwortung folgender Fragen bestimmt:

− Herstellbarkeit des Bauteils (Machbarkeitsaspekt) − erreichbarer Integrationsfaktor (Bauteilanzahl, Funktionalität) − Serienrelevanz hinsichtlich Stückzahl und Wirtschaftlichkeit− erforderliche Bauteileigenschaften (Genauigkeit, Masse, Werkstoffein-

satz, Funktionsverhalten)

Das Anwendungspotenzial der Hydro-Umformung erfährt durch neue Entwicklungen im Verfahrens-, Werkstoff- und Anlagenbereich ständig Innovationsschübe und Erweiterungen, gerichtet sowohl auf die einfache Substitution anderer Fertigungskonzepte als auch auf grundsätzlich neue Gebiete. Die letztendlich entscheidende Kostenfrage kann u.U. durch In-novationen in jedem der Teilbereiche der Prozesskette neu definiert wer-den. Neue Entwicklungstendenzen hinsichtlich Werkstoff und Halbzeug ergeben sich durch:

− Variantenvielfalt im Werkstoffeinsatz als generelle fertigungstechnische Tendenz

− wachsende Anteile von Werkstoffen mit hochwertigen Funktionseigen-schaften, jedoch z.T. spezifischen Technologieanforderungen in der Verarbeitung bzw. Umformung

− Flexibilisierung des Halbzeugs bezüglich einer Funktions- und Prozess-optimierung

Insgesamt ist die Auswahl der zum Einsatz kommenden Rohr- oder Blechhalbzeuge ein wesentliches, im Entwicklungsablauf frühzeitig und aufgrund einer begründeten Technologieabschätzung vorzunehmendes Element.

Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte werden z.B. auf neue Integralbau-teile gesetzt, die Design und Funktion noch besser verbinden. Hierbei spie-len insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile und Bauteile mit enger Formeingrenzung durch reduzierte Einbauräume eine Rolle.

14 1 Einführung

Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Entwicklung neuer Konzepte, um hydro-umgeformte Bauteile mit den angrenzenden bzw. zu komplettie-renden Teilen zu verbinden. Laschen, Flansche und Montageflächen sowie innere Stützen wie bei Blech- und Schalenformteilen sind in rohr- oder profilbasierten Bauteilen zumeist nicht verfügbar. Zusätzliche Schweiß-operationen in der Montage können die Gesamtkonzeption der Anwen-dung hinsichtlich des erforderlichen Aufwands negativ beeinflussen und Probleme z.B. durch den zusätzlichen Wärmeeintrag erzeugen. Dies fällt besonders im Karosseriebau ins Gewicht. Hier werden Space-Frame-Lösungen derzeit zumeist nur mit Hilfe von Gussknoten oder durch stump-fes Schweißen möglich. Vereinzelt verfügbare Lösungen zeigen aber bereits Möglichkeiten auf, derartige Verbindungselemente auch als hydro-umgeformte Bauteile zu realisieren.

Neben dem Einsatz von höherfesten Stählen und geschlossenen Profilen in tragenden Fahrwerkskonstruktionen, die enorme Fortschritte im Leicht-bau ermöglichten, werden ebenso Wege zur weiteren Massereduzierung durch den Einsatz anderer Werkstoffe gesucht. Im Vordergrund stehen hierbei Aluminium und Magnesium. Auch Werkstoffverbunde sind prinzi-piell als Hydro-Umformapplikationen denkbar. Aus dem Einsatz derartiger alternativer Werkstoffe erwachsen jedoch gesteigerte Anforderungen an den Umformprozess. Aluminium und insbesondere Magnesium weisen wesentlich schlechtere Formgebungseigenschaften auf. Bisher werden durch Hydro-Umformung überwiegend Aluminiumstrangpressprofile durch Kalibrieren (minimale Umformgrade) montagefähig genau ausgeformt. Um vergleichbare Umformgrade wie bei den konventionellen Werkstoffen zu erhalten, laufen Untersuchungen zur Warmumformung mit flüssigen und gasförmigen Wirkmedien.

2 Grundlagen

2.1 Verfahrensspezifik

Das Innenhochdruck-Umformen (IHU) wird den Umformverfahren zuge-ordnet, die auf der Nutzung flüssiger Wirkmedien beruhen. Dabei ist zwi-schen dem Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen (IHU) und dem Wirkmedienbereich Umformen von Blech zu unterscheiden, wobei hierfür verschiedene Bezeichnungen wie Innenhochdruck-Blech-umformung (IHB), Hochdruck-Blechumformung (HBU) oder Außenhoch-druck-Blechumformung (AHB) Verwendung finden. Die Ausgangshalb-zeuge werden bei beiden Verfahrensvarianten mit Hilfe eines flüssigen, in einem Hohlraum wirkenden Mediums umgeformt [126]. Unter Einwirkung eines hydrostatischen Drucks sowie äußerer mechanischer Belastungen wird das Ausgangshalbzeug an der Innenfläche eines umgebenden Form-werkzeugs zur Anlage gebracht [29]. In Abb. 2.1. ist das Prinzip des In-nenhochdruck-Umformens von Rohren bzw. Profilen dargestellt.

pi FaxialFaxial

Fschließ

Oberwerkzeug

Unterwerkzeug

Axialstempel

Halbzeug

Abb. 2.1. Prinzip des Innenhochdruck-Umformens nach [126] Faxial Axialkraft Fschließ Schließkraft

Dabei wird ein gerades oder z.B. durch Biegen vorgeformtes Halbzeug in die untere Werkzeughälfte eines aus Ober- und Unterwerkzeug beste-henden Formwerkzeugs eingelegt. Die beiden Werkzeughälften werden geschlossen. Mit Axialstempeln werden die Rohr- bzw. Profilenden abge-

16 2 Grundlagen

dichtet und das Halbzeug z.B. mit einer Öl-in-Wasser Emulsion (nach VDMA 24317) gefüllt. Gleichzeitig wird der für die Umformung erforder-liche Innendruck pi aufgebaut. Durch entsprechendes Nachschieben der axialen, von Hydraulikzylindern angesteuerten Stempel (Faxial) kann der Umformzone parallel dazu zusätzlicher Werkstoff zugeführt werden. Durch die damit verbundene Überlagerung von Druckspannungen lassen sich wesentlich höhere Formänderungen bzw. Umformgrade als bei Um-formoperationen erreichen, die auf reinen Zugspannungen basieren. Mit einer weiteren Zunahme des Innendrucks beginnt der Werkstoff zu fließen und das Halbzeug wird an die Innengravur des Umformwerkzeugs ange-legt. Mit dem am Ende der Umformung durchgeführten Kalibrieren bei maximalem Innendruck pi max soll eine vollständige Ausformung der fina-len Bauteilgeometrie erreicht werden.

Das Innenhochdruck-Umformen bietet auf der Basis des wirkenden hydrostatischen Drucks und des Verfahrensablaufs im Vergleich zu kon-ventionellen Umformverfahren folgende Vorteile:

− Realisierung komplexer Bauteilgeometrien − Erzielung hoher Umformgrade − Gewährleistung hoher Bauteilgenauigkeiten− Erzielung hoher Bauteilsteifigkeiten

Das Verfahrensprinzip des Innenhochdruck-Umformens kann auch für die Umformung großflächiger Blechteile genutzt werden. Dabei wird der Hohlraum, in dem das flüssige Medium wirkt, entweder durch ein um-zuformendes Blech und das Umformwerkzeug (Einfachplatinen-Umfor-mung) oder durch zwei Bleche (Doppelplatinen-Umformung) gebildet.

Zur Umformung werden die Blechplatinen in ein entsprechendes Um-formwerkzeug eingelegt, das ebenfalls aus Ober- und Unterwerkzeug be-steht. Nach dem Schließen wird das Wirkmedium über ein Andock- bzw. Füllsystem zwischen Blech und Werkzeug bzw. zwischen beide Bleche eingebracht, was zum Aufbau eines wirksamen Innendrucks pi führt. Zu Beginn der Umformoperation wird unter Nutzung relativ geringer Schließ-kräfte Fschließ ein Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur ange-strebt, um eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformung zur realisieren. Durch Erhöhung der Zuhalte- bzw. Schließkräfte wird dann der Werkstofffluss unterbunden. Das Kalibrieren der Bauteilform findet bei maximal möglichem Innendruck pi max statt.

Neben umformtechnischen Effekten wie z.B. der Verschiebung der Um-formgrenzen sowie der positiven Beeinflussung der Bauteileigenschaften sind auch wirtschaftliche Effekte zu beobachten. Im Fall der Doppelplati-nen-Umformung können z.B. Außen- und Innenteile einer Baugruppe

2.2 Fluidisches System 17

gleichzeitig in einer Prozessstufe und somit in einem Werkzeug umge-formt werden, wodurch deutliche Einsparungen von Fertigungsstufen, Werkzeugkosten und letztendlich Herstellkosten möglich sind.

2.2 Fluidisches System

Zentrales Element eines wirkmedienbasierten Umformverfahrens ist das Wirkmedium selbst. Über dieses Wirkmedium erfolgt die Krafteinleitung in das Werkstück, die letztlich den Umformvorgang auslöst.

Als Wirkmedien können verschiedene Stoffe Verwendung finden. Aus Publikationen ist unter anderem die Nutzung folgender Medien bekannt:

− Gase, insbesondere Luft − Flüssigkeiten− hochviskose Flüssigkeiten (beispielsweise Polymerschmelzen) − formlos feste Stoffe (metallische oder keramische Schüttgüter)

Die übergroße Mehrzahl der in der industriellen Praxis verwendeten Wirkmedien sind Flüssigkeiten.

Die Anforderungen an ein Wirkmedium, im Falle der Hydro-Umfor-mung also an eine Flüssigkeit zur Metallumformung, sind äußerst komplex und teilweise widersprüchlich. Zu den wichtigsten Forderungen zählen:

− hohe Stabilität unter mechanischer Beanspruchung − hohe Alterungsbeständigkeit − chemische Neutralität gegenüber eingesetzten Werkstoffen, insbesondere

Werkstückwerkstoff, Hydraulikarmaturen und Dichtungen − geringe Kompressibilität − gute Korrosionsschutzeigenschaften − ausreichende Viskosität (Schmierung) − Kompatibilität mit Schmierstoffen − Möglichkeit der rückstandsfreien Entfernung vom Bauteil − ungiftig, nicht umweltgefährdend − ausreichende Biostabilität − schwer entflammbar bzw. nicht brennbar − geringer Preis

Als geeignete Wirkmedien für die Hydro-Umformung haben sich so ge-nannte HFA-Flüssigkeiten erwiesen. Es handelt sich dabei um schwer ent-flammbare Hydraulikflüssigkeiten nach [92, 107] auf Wasserbasis, deren Zusammensetzung als Öl-in-Wasser Emulsion (nach VDMA 24317) mit

18 2 Grundlagen

einem Ölanteil von max. 20% charakterisiert ist. Sie wurden ursprünglich für Hydrauliksysteme in brandgefährdeten Arbeitsstätten entwickelt. Das Zusatzkonzentrat ist heute jedoch speziell auf die Erfordernisse der Hoch-druck-Umformung optimiert, wobei neben Mineralölprodukten auch lösli-che Polymere und andere synthetische Produkte Verwendung finden. Die Zusatzstoffe sollen insbesondere die Korrosionsschutz- und Schmierungs-eigenschaften des Basisfluids Wasser sicherstellen.

In speziellen Fällen werden auch andere Flüssigkeiten als Wirkmedium für die Hydro-Umformung verwendet, beispielsweise Mineralöl (Nachteil: Reinigung des Werkstücks, Umweltgefährdung), Wärmeträgeröl (haupt-sächlich für die Warmumformung) oder auch Wasser (Lebensmittelindust-rie).

Der Betreiber einer Hydro-Umformanlage ist in der Entscheidung für ein bestimmtes Wirkmedium eingeschränkt, da die Freigabe des Anlagen-herstellers für dieses Wirkmedium eingehalten werden muss. Gleichzeitig muss die Eignung des Wirkmediums für das umzuformende Bauteil beach-tet werden.

Das Wirkprinzip der Hydro-Umformung basiert auf der Druckausbrei-tung in Flüssigkeiten. Unter dem statischen Druck in einer Flüssigkeit ver-steht man den Quotienten aus der auf die Flüssigkeit wirkenden Kraft pro wirksamer Flächeneinheit. Unter Vernachlässigung des Schweredrucks durch das Flüssigkeitsgewicht ist in einer ruhenden Flüssigkeit der Druck in jedem Punkt des Flüssigkeitsvolumens gleich groß. Der statische Druck ist eine skalare Zustandsgröße einer Flüssigkeit. Sie hat keine Richtungs-abhängigkeit, d.h. der Druck wirkt in einer Flüssigkeit in alle Richtungen gleichermaßen.

Der statische Druck des Wirkmediums im Werkzeug erzeugt am Werk-stück eine Flächenlast normal zur Werkstückoberfläche. Ist die Kombina-tion aus statischer Druckkraft und weiteren angreifenden mechanischen Kräften ausreichend groß, überschreiten die Spannungen im Werkstück die Fließgrenze und es erfolgt eine plastische Umformung. Dieser Vorgang er-folgt so lange, bis durch die Grenzen der Gravur keine weitere Umfor-mung möglich (Abb. 2.2.) oder der statische Druck im Werkzeug für eine weitere Umformung nicht ausreichend ist (beispielsweise durch Leckage). Letzterer Fall sollte natürlich vermieden werden.

Die Art der Krafteinleitung in das Werkstück durch den statischen Druck normal zur Oberfläche unterscheidet sich dabei von anderen Um-formverfahren, beispielsweise dem konventionellen Tiefziehen. Daraus folgt ein anders gearteter Materialfluss. Bestimmte Teilegeometrien kön-nen deshalb nur wirkmedienbasiert erzeugt werden, andere Geometrien lassen sich vorteilhafter erzeugen als mit konventionellen Verfahren.

2.3 Kenngrößen 19

pi

Abb. 2.2. Kraftwirkung beim wirkmedienbasierten Umformen

In Sonderfällen ist keine gleichmäßige Ausbreitung des statischen Drucks im Werkzeug gewünscht, es werden dann partiell unterschiedliche Flächenlasten am Werkstück bevorzugt. Eine Möglichkeit hierzu liegt in der Verwendung hochviskoser nichtnewtonscher Flüssigkeiten, beispiels-weise Polymerschmelzen. Hier hängt die Druckverteilung im Werkzeug auch von den Einströmverhältnissen des Wirkmediums ab.

Die Erzeugung eines geeigneten statischen Drucks im Werkzeug erfolgt mit Druckerzeugern, vorzugsweise Pumpen oder Druckübersetzern. Aus-gangspunkt für die Auswahl des Druckerzeugers ist der gewünschte Druckbereich. Hydropumpen erlauben typischerweise einen Druckaufbau in HFA-Medien bis maximal 350 bar, während mit Druckübersetzern Druckbereiche bis 4.500 bar industriell typisch sind. Druckübersetzer sind jedoch begrenzt im bereitgestellten Volumen des Wirkmediums.

Charakteristisch für die Hydro-Umformung ist ein teilweise offener Kreislauf für das Wirkmedium. Insbesondere der Rücklauf des Wirkmedi-ums zum Behälter erfolgt über Auffangwannen am Maschinentisch. Da-durch wird das Wirkmedium zusätzlich mit Verschmutzungen kontami-niert, insbesondere mit Feststoffpartikeln. Der Wartung des Wirkmediums ist deshalb besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Dazu zählt neben der obligatorischen Filterung zur Beseitigung von Feststoffverschmutzungen in erster Linie die Überwachung der Zusammensetzung des Wirkmediums. Hierzu sind regelmäßig dessen pH-Wert zu messen und bei Bedarf Wasser oder Zusatzkonzentrat zu ergänzen.

2.3 Kenngrößen

Die entscheidenden Kenngrößen des Hydro-Umformprozesses sind

− der wirksame Innendruck pi,− der Kalibrierdruck pi max,− die Axialkraft Faxial,− die Gegenhaltekraft Fgegen sowie − die Schließkraft Fschließ.

20 2 Grundlagen

Der Innendruck pi bewirkt das Anlegen des Ausgangshalbzeugs bzw. der Vorform an die Werkzeuggravur während des Umformprozesses. Um ein vollständiges Ausfüllen der Gravur am Ende der Umformoperation zu gewährleisten, ist ein Kalibrierdruck pi max erforderlich. Dessen Größe wird durch das eingesetzte Halbzeug (Werkstoff, Wanddicke) sowie durch die zu erzeugende Bauteilgeometrie (z.B. minimaler Bauteilradius) bestimmt.

Maximale Drücke, die in heutigen Hydro-Umformanlagen für das Kalibrieren von Bauteilen eingesetzt werden, erreichen Werte bis zu pi = 4.000 bar. Um einen entsprechenden Innendruck-Aufbau zu gewähr-leisten, wird bei der Umformung von Rohren und Profilen das Ausgangs-halbzeug mit Axialstempeln abgedichtet. Diese werden häufig auch für das Nachschieben von Werkstoff in die Umformzone genutzt, um eine Überla-gerung von Zug- und Druckspannungen zu erreichen. Neben dem Abdich-ten müssen in diesem Fall durch die aufgebrachten Axialkräfte Faxial auch die Umformung des Bauteils (im Zusammenwirken mit dem Innendruck pi) sowie die Überwindung der Reibung im Nachschiebebereich gewährleis-tet werden.

Zur Ausbildung von Formelementen wird häufig ein Gegenhaltestempel eingesetzt. Mit der dabei eingebrachten Gegenhaltekraft Fgegen wird einer übermäßigen Wanddickenreduzierung in diesen Bereichen entgegenge-wirkt (s.a. Abb. 2.12.). Der Gegenhaltestempel wird durch die fortschrei-tende Ausformung des Formelements verdrängt. Am Ende des Umform-prozesses wird dessen Bewegung unterbunden und es erfolgt die Kalibrierung der finalen Bauteilform.

Eine weitere wichtige Kenngröße bei der Hydro-Umformung ist die Schließkraft Fschließ, die durch die Umformmaschine aufgebracht werden muss. Diese verhindert das Öffnen des Werkzeugs während des Umform-prozesses. Die Größe der aufzubringenden Schließkraft ist abhängig vom maximalen Innendruck pi max und den Abmessungen des Bauteils (proji-zierte Fläche Aproj).

Beim Innenhochdruck-Blechumformen besteht eine zusätzliche Heraus-forderung darin, mit Hilfe der Schließkraft sowohl eine prozessangepasste Dichtheit des Werkzeugsystems als auch das Nachfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur zu gewährleisten.

2.4 Typische Versagensfälle 21

2.4 Typische Versagensfälle

2.4.1 Rohre und Profile

Der Arbeitsbereich des Innenhochdruck-Umformens von Rohren und Pro-filen (IHU) wird durch verfahrenstypische Versagensfälle begrenzt und de-finiert. Nach [126] wird dabei unterschieden zwischen

− dem Bersten des Bauteils, − der Bildung von Falten sowie − dem Knicken des Ausgangsprofils.

2.4.1.1 Bersten

Für die Ausformung des Bauteils ist der wirksame Innendruck pi verant-wortlich. Wird aufgrund des steigenden Innendrucks beim Aufweiten die Gleichmaßdehnung des Werkstoffs überschritten, kommt es in der Um-formzone zur Ausbildung von Einschnürungen. Diese führen zum Bersten des Bauteils, wenn sie durch den Innendruck einer weiteren Dehnung un-terworfen werden (Abb. 2.3.).

Abb. 2.3. Versagensfall Bersten am Bauteil „T-Stück“

Durch eine geeignete Werkzeugauslegung oder prozessgestalterische Maßnahmen ist eine Verschiebung dieser Versagensgrenze möglich. So kann z.B. die Verwendung eines Gegenhaltestempels eine übermäßige Ausdünnung der Ausgangswanddicke im Dombereich eines T-Stücks ver-hindern. Durch ein Nachschieben von Werkstoff mit Hilfe von Axialstem-peln kann eine Druckspannungsüberlagerung in der Umformzone erzeugt werden, was der Ausbildung von Einschnürungen bzw. dem Bersten des Bauteils entgegenwirkt, da im Vergleich zum Umformen unter Nutzung reiner Zugspannungen höhere Umformgrade bzw. Formänderungen erzielt werden können.

22 2 Grundlagen

Zu Beginn einer Innenhochdruck-Umformoperation kommen wegen des noch geringen Innendrucks relativ kleine Reibkräfte zum Tragen. Bereits während dieser Prozessphase wird versucht, der Umformzone einen ma-ximalen Werkstoffanteil zuzuführen. Bei höheren Innendrücken, bei denen ein Nachschieben des Werkstoffs aufgrund steigender Reibkräfte nur noch schwer möglich ist, kann so auf eine Werkstoffreserve für die Ausformung des Bauteils zurückgegriffen werden. Der Werkstofffluss kann durch die Änderung der Bauteilgeometrie (z.B. Vergrößerung der Bauteilradien) oder durch eine Optimierung des tribologischen Systems zwischen Bauteil und Werkzeug (Reduzierung der Kontaktreibung) positiv beeinflusst wer-den.

Neben den prozessbedingten Größen beeinflusst auch das verwendete Ausgangshalbzeug mit seinen geometrischen, mechanischen und technolo-gischen Eigenschaften das Umformergebnis. So können sich z.B. während des IHU-Prozesses Einschnürungen oder Reißer entlang der Schweiß- bzw. Kammernähte von geschweißten Rohren bzw. stranggepressten Profi-len bilden, wenn diese nicht unter Anwendung der optimalen Prozesspa-rameter hergestellt wurden.

2.4.1.2 Falten

Eine gezielte Faltenbildung wird häufig während der Vorformoperation angestrebt. Im eigentlichen Umformprozess dienen die Falten dann als Werkstoffreserve und gewährleisten so die Realisierung der finalen Bau-teilgeometrie.

Während des Hauptformgebungsprozesses kann es allerdings auch zur unerwünschten Faltenbildung kommen. In diesem Fall können die Falten auch durch höhere Innendrücke nicht mehr beseitigt werden und führen u.U. sogar zum Abbruch des Umformprozesses. Wird z.B. beim Nach-schieben des Werkstoffs in die Umformzone eine zu hohe Axialkraft Faxialbei gleichzeitig zu geringem Innendruck pi aufgebracht, entstehen im Nachschiebebereich in Umfangsrichtung des Bauteils Falten (Abb. 2.4.). Der Umformzone kann dadurch nicht genügend Werkstoff zugeführt wer-den, was letztendlich zu einem frühzeitigen Bersten des Bauteils führt.

Zu hohe Axialkräfte können Falten bzw. Werkstoffüberwerfungen auch im Bauteilmittenbereich verursachen (Abb. 2.5.). Die damit verbundene Werkstoffverfestigung behindert den Werkstofffluss in die Umformzone, wodurch ebenfalls ein frühzeitiges Werkstoffversagen begünstigt wird.


Abb. 2.4. Faltenbildung im Nachschiebebereich am Bauteil „T-Stück“

Abb. 2.5. Falte und daraus resultierender Reißer im Mittenbereich am Bauteil „T-Stück“

Neben den Abmessungen des Ausgangshalbzeugs (Verhältnis von Aus-gangswanddicke s0 zu Ausgangsdurchmesser D0) und den mechanischen Eigenschaften des umzuformenden Werkstoffs kann die Faltenbildung vor allem durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter beeinflusst werden. Zur Vermeidung einer irreversiblen Faltenbildung ist ein optimales Ver-hältnis von Innendruckaufbau und Werkstoffnachschieben erforderlich.

Falten in Längsrichtung können beim Schließen des Werkzeugs auftre-ten, wenn ungünstige Halbzeugabmessungen oder Vorformgeometrien festgelegt wurden.

2.4.1.3 Knicken

Ein weiterer Versagensfall beim Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen ist das Knicken des Ausgangshalbzeugs. Zum Ausknicken des Rohrs bzw. Profils kommt es – ähnlich wie bei der Bildung von Falten – aufgrund zu großer Axialkräfte. Kriterien für diesen Versagensfall sind die freie Aufweitlänge und die Wanddicke des Halbzeugs. Um ein Auskni-cken zu vermeiden, müssen auch hier halbzeugangepasste Verfahrenspa-rameter ausgewählt werden. Dies betrifft vor allem das Festlegen geeigne-ter Axialkräfte zum Nachschieben des Werkstoffs.

24 2 Grundlagen

2.4.2 Bleche

Beim Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) wird zwischen

− dem Einschnüren und Bersten (Ausbildung von Reißern) des Bauteils sowie

− der Bildung von Falten

unterschieden.

2.4.2.1 Einschnüren und Bersten

Zum Erreichen einer optimalen Bauteilausformung wird in einer ersten Umformphase, der so genannten Füll- bzw. Vorformphase, eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformgebung angestrebt. Relativ geringe Schließkräfte Fschließ bewirken ein Einfließen des Werkstoffs in die Werk-zeuggravur und eine Relativbewegung zwischen den Platinen (Doppelpla-tinen-Umformung). Diese Phase ist mit einer Tiefziehoperation vergleich-bar, bei der die Funktion des Stempels durch das Wirkmedium übernommen wird. In einer zweiten Prozessphase wird dann die Schließ-kraft erhöht, um sowohl das Einfließen des Blechwerkstoffs in die Werk-zeuggravur zu unterbinden als auch den Kalibrierdruck zur Ausformung der finalen Bauteilform aufzubauen.

Ist bereits bei der Erzeugung der Vorform das Ziehverhältnis β zu groß oder wird der Werkstofffluss durch eine ungeeignete Schließdruckvertei-lung behindert, kommt es zur Ausbildung von Einschnürungen bzw. zum Bersten des Bauteils (Abb. 2.6.).

Abb. 2.6. Bersten eines großflächigen IHB-Bauteils

Auch beim Kalibrieren können diese Versagensfälle auftreten, wenn aufgrund einer ungeeigneten Vorformgebung die Dehnreserve des Werk-stoffs während der Erzeugung der finalen Bauteilgeometrie überschritten wird.


Ähnlich wie beim Tiefziehen können Einschnürungen bzw. Reißer im Zargenbereich der Bauteile durch zu erzeugende Formelemente oder unge-eignete Zuschnittsgeometrien entstehen. Ursachen sind tangentiale Druck- oder Zugspannungen, die durch den Werkstofffluss sowie die geometri-schen Verhältnisse im Werkzeug hervorgerufen werden.

Beim Ausbilden eines konvexen Formelements (z.B. Bauteileckbereich) werden durch das Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur tan-gentiale Druckspannungen aufgebaut (Abb. 2.7.). Eine Schließkraft vor-ausgesetzt, die die Bildung von Falten verhindert, dickt der Werkstoff in diesem Bereich auf und verfestigt sich. Der Werkstofffluss in die Gravur wird beeinträchtigt.

Flansch

Bauteil

σr

σr

σtσt

σt

σt

σr

σr

Abb. 2.7. Spannungsverhältnisse bei der Ausbildung von Formelementen σr Radialspannung σt Tangentialspannung

Bei der Ausformung konkaver Formelemente wird der Werkstoff im Flanschbereich sowohl tangential als auch vertikal gestreckt, was in die-sem Bereich eine deutliche Blechdickenreduzierung bewirkt. Somit kann es hier zur Werkstoffverfestigung und einer daraus resultierenden Behin-derung des Werkstoffflusses in das Werkzeug kommen, was auch negative Auswirkungen auf die übertragbaren Umformkräfte hat. Das kann zur Ini-tialisierung von Einschnürungen bzw. Reißern führen (Abb. 2.8.). Ande-rerseits können zu große tangentiale Zugspannungen bereits ein Versagen des Werkstoffs im Flanschbereich bewirken.

Zu kleine Einlaufradien entlang der Werkzeuggravur bzw. zu hohe Flä-chenpressungen begünstigen die Entstehung von Reißern. Demzufolge können diese auch in Bauteilbereichen ohne komplexe Formelemente her-vorgerufen werden.

26 2 Grundlagen

Abb. 2.8. Ausbildung von Reißern bei konkaven Formelementen in der Zarge (links) bzw. im Flansch (rechts)

2.4.2.2 Falten

Eine Faltenbildung, wie sie z.B. beim Tiefziehen in den Eckbereichen der Bauteile aufgrund tangentialer Druckspannungen auftritt, kann beim In-nenhochdruck-Blechumformen aufgrund der relativ hohen Schließkräfte ausgeschlossen werden. Allerdings können sich im Gutteilbereich der Bau-teile Falten bilden (Abb. 2.9.). Ursache dafür ist ein ungehinderter Werk-stofffluss während der Vorformphase, wodurch partiell zu viel Werkstoff in der Vorform gebunden wird. Mit steigendem Innendruck pi erfolgt dann die Ausbildung irreversibler Falten.

Abb. 2.9. Faltenbildung im Gutteilbereich

Auch bei ungünstiger Lage der Teilungsebene bzw. der Platine im Um-formwerkzeug können derartige Falten entstehen, wie Abb. 2.10. verdeut-licht.

2.5 Tribologie 27

pi

Innenteil Außenteil

Vorformung

pi

Kalibrierung

Faltenbildung

Abb. 2.10. Ausbildung einer Knickfalte am Beispiel der Doppelplatinen-Umformung zur Herstellung einer Pkw-B-Säule

2.5 Tribologie

Das tribologische System zwischen Werkzeug und herzustellendem Bau-teil ist auch bei der Hydro-Umformung ein wesentlicher Einflussfaktor, der sich unmittelbar auf das erreichbare Umformergebnis auswirkt. Wie bei anderen Verfahren der Blechumformung tritt auch hier in der Regel Mischreibung auf, d.h. dass sich trotz einer durch das Schmiermittel gebil-deten Zwischenschicht lokale Kontaktstellen zwischen den Reibpartnern „Werkzeug“ und „Werkstück“ ausbilden (s. Abb. 2.11.).

Die Anforderungen an das tribologische System sowie dessen charakte-ristische Eigenschaften ändern sich im Prozessverlauf sowohl örtlich als auch zeitlich. Neben den im Vergleich zu konventionellen Umformverfah-ren hohen Kontaktdrücken zwischen Werkzeug und Bauteil müssen Be-sonderheiten wie

− unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Bauteil,

− die zeitliche und örtliche Änderung der Kontaktfläche (zunehmendes Anlegen des Werkstücks an die Gravur) sowie

− die Änderung der Oberflächentopographie des Ausgangshalbzeugs

berücksichtigt werden.

28 2 Grundlagen

Grundkörper

Gegenkörper

τsτm

dA3

dA2

τh

Abb. 2.11. Reibmodell bei Mischreibung dA2; dA3 Flächenelement τh Schubspannung unter hydrostatischen Reibbedingungen τm Schubspannung an der metallischen Kontaktfläche τs Schubspannung im dünnen Schmierfilm

Am Beispiel eines T-Stück-Werkzeugs (vgl. Abb. 2.12.) lassen sich un-terschiedliche Kontaktzonen zwischen Werkzeug und Werkstück identifi-zieren [120, 121, 122]:

Nachschiebebereich − mittlere bis hohe Kontaktnormalspannungen− hohe Relativgeschwindigkeiten entsprechend der Axialstempelbewegung − keine Oberflächenvergrößerung

Übergangszone− abnehmende Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werk-

zeug (im Vergleich zum Nachschiebebereich) − mögliche bzw. beginnende Oberflächenvergrößerung

Umformzone − minimale Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück − maximale Oberflächenvergrößerung

Faxial

Fgegen

I II III

I Nachschiebebereich

II Übergangszone

III Umformzone

Abb. 2.12. Kontaktzonen beim Innenhochdruck-Umformen eines T-Stücks Faxial Axialkraft Fgegen Gegenkraft

2.5 Tribologie 29

Eine maximale Bauteilausformung beim T-Stück ist möglich, wenn dem Werkstofffluss in allen Kontaktzonen nur geringe Reibungskräfte entge-genstehen. Ist das der Fall, kann mit Hilfe der Axialstempel der erforderli-che Werkstoffanteil in die Umformzone transportiert werden. Die Wanddi-ckenabnahme in der Aufweitzone wird minimiert. Zur Vermeidung einer irreversiblen Faltenbildung im Nachschiebebereich ist aber ein optimales Verhältnis von Innendruckaufbau und Werkstoffnachschieben zu gewähr-leisten.

Beim Innenhochdruck-Umformen werden zur Außenschmierung der Werkstücke

− Öle und Fette, − wässrige Emulsionen und Suspensionen sowie − Festschmierstoffe

verwendet.Abbildung 2.13. veranschaulicht den Einfluss des Schmierstoffs auf das

erzielbare Umformergebnis am Beispiel eines T-Stücks. Für das linke Pro-bewerkstück ist ein Trockenschmierstoff mit guter Schmierwirkung und hoher Druckbeständigkeit verwendet worden, für die Ausformung des rechten T-Stücks wurde eine wässrige Emulsion auf das Ausgangshalb-zeug aufgebracht.

Abb. 2.13. Einfluss des Schmiermittels auf das Umformergebnis (links: Trocken-schmierstoff; rechts: Emulsion)

Beide Probanden wurden aus Halbzeugen mit gleichen Abmessungen hergestellt. Die Reduzierung der Ausgangslänge lässt die Schlussfolgerung zu, dass mit Hilfe des Festschmierstoffs im Vergleich zur Emulsion ein größerer Werkstoffanteil in die Umformzone transportiert wurde, was letztendlich zur Ausformung größerer Domhöhen führte. Auch die gleich-mäßige Wanddickenzunahme auf der dem Dom gegenüberliegenden Seite

30 2 Grundlagen

ist ein Indiz für einen weitgehend ungehinderten Werkstofffluss während der Umformoperation.

Neben guter Schmierwirkung, hoher Druckbeständigkeit und guter Haf-tung müssen Schmierstoffe für das Innenhochdruck-Umformen aber auch anderen Anforderungen genügen:

− problemlose Aufbringung auf das Werkstück − problemlose Entfernung vom Werkstück − Verträglichkeit mit dem Druckmedium − keine bzw. minimale Kontaminierung des Druckmediums − gute Umweltverträglichkeit − keine gesundheitliche Gefährdung des Bedienpersonals

Eine weitere Möglichkeit zur positiven Beeinflussung des tribologi-schen Systems ist die Beschichtung von Werkzeugen (z.B. mit Keramik, DLC1 u.a.). Beschichtungen können z.B. in der Führungszone bzw. im Nachschiebebereich (Abb. 2.14.) eingesetzt werden, wo Relativbewegun-gen zwischen Werkzeug und umzuformendem Bauteil bei hohen Kontakt-spannungen auftreten. Neben einer Reduzierung der Reibkräfte und der daraus resultierenden positiven Beeinflussung des Werkstoffflusses in die Umformzone können diese Beschichtungen auch zur Minimierung des Werkzeugverschleißes beitragen.

Abb. 2.14. DLC-beschichteter Nachschiebebereich eines IHU-Werkzeugs zur Fer-tigung von Automobil-Strukturkomponenten

Bei der Hydro-Umformung von Blechen ist ein weiterer Aspekt ent-scheidend für das erreichbare Umformergebnis.

Die so genannte Füll- bzw. Vorformphase, in der eine der finalen Bau-teilgeometrie angepasste Vorform angestrebt wird, ist mit einer Tiefzieh-operation vergleichbar, bei der das Hochdruckmedium die Funktion des

1 Diamond Like Carbon

2.5 Tribologie 31

Stempels übernimmt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Vorform müs-sen ein Einfließen des Werkstoffs in die Gravur ermöglicht und eine pro-zessangepasste Dichtheit zur Bereitstellung eines nutzbaren Innendrucks pigewährleistet werden. Für diesen Zweck bietet sich z.B. der Einsatz von Ziehfolien an. Neben der Reduzierung der Reibung zwischen Werkzeug und Bauteil tragen sie auch zu einer Abdichtung des Werkzeugsystems bei.

Bei der Umformung von Doppelplatinen zur Erzeugung unterschiedlicher Bauteilgeometrien verschärft sich der Zielkonflikt „Dichtheit des Werk-zeugsystems – Einfließen des Werkstoffs“, da zusätzlich eine Relativbewe-gung zwischen den Platinen erfolgt. Hier muss das tribologische System so beeinflusst werden, dass eine partielle und gezielte Steuerung des Werk-stoffflusses möglich ist. Der Einsatz von Mehrpunkt-Kissensystemen beim Innenhochdruck-Blechumformen ist ein Erfolg versprechender Ansatz.

3 Prozessgestaltung

3.1 Bauteildesign

3.1.1 Systematik der Bauteilgeometrie

Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile sind in den verschiedens-ten Branchen zu finden:

− Fahrzeugbau (Automobile, Zweiräder; Wasser-, Luft- und Schienenfahr-zeuge)

− Kühlung/Heizung/Sanitär; Haushalttechnik − Möbelindustrie; Beleuchtung; Optik − Medizintechnik und Behälterbau

Eine zweckmäßige Klassifizierung der Bauteilgeometrie ergibt sich aus der Form des verwendeten Halbzeugs. Aus Halbzeugen mit geschlossenem Querschnitt werden Hohlkörper der unterschiedlichsten Abmessungen und Querschnitte mit mehreren Nebenformelementen hergestellt. Aus Halb-zeugen mit offenem Querschnitt entstehen hauptsächlich kasten- oder ge-häuseförmige, aber auch andere flächige Bauteile mit verschiedenen Form-elementen. Zu beachten ist, dass kreisrunde Rohre oft auch durch Rollen (Walzprofilieren) und Schweißen aus der flachen Platine hergestellt wer-den. Eine grobe Übersicht möglicher Bauteilgeometrien gibt Abb. 3.1.

Erste Anwendungen in Deutschland gab es in den 1960er Jahren in der Sanitärindustrie durch den Einsatz von Fittings. Diese klassischen IHU-Bauteile, die sich anders auf wirtschaftliche Weise derzeit nicht herstellen lassen, haben ihre Stellung am Markt bis heute behauptet. Aus dieser Zeit stammen auch die ersten hydro-umgeformten Faltenbälge für den Einsatz im Armaturen- und Apparatebau (s. Abb. 3.2.).

Im Heizungs- und Kühlanlagenbau werden u.a. Verteilerbalken für Hei-zungsanlagen, Plattenheizkörper und Kühlschlangen, in der Sanitärindus-trie Mischbatterien durch Hydro-Umformung gefertigt (s. Abb. 3.3.). In der Möbelindustrie werden verstärkt Stuhl- und Tischbeine hergestellt.

34 3 Prozessgestaltung

Bauteilgeometrie

Geschlossener Querschnitt Offener Querschnitt

Veränderung des Querschnitts

ohne Ände-rung der Längsachse

mit gering-fügiger Än-derung der Längsachse

mit signifi-kanter Än-derung der Längsachse

Flachteile Hohlstruk-turen

(1) (2) (2) (1 / 2) (1)

(1)

(1)

(2)

(1) (1)

(1)

Verbundteil

Verfahrenskombination

- Hydro-Umformung + Tiefziehen - Hydro-Umformung + Lochen und

Schneiden - Hydro-Umformung + Lochen und

Kragenziehen

Gefügte Strukturen - Hydro-Nieten / Hydro-Clinchen - Hydro-Patchwork - Geschweißte Doppelplatine

Abb. 3.1. Klassifizierung hydro-umgeformter Bauteile [1 – FRAUNHOFER IWU; 2 – HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG]

3.1 Bauteildesign 35

Abb. 3.2. Fitting (links; beispielhafte Darstellung) und Faltenbälge (rechts; herge-stellt auf Maschinen der FA. H&T PRODUKTIONSTECHNOLOGIE GMBH)

Abb. 3.3. Verteilerbalken (links) und Mischbatterie (rechts; HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)

Das größte Anwendungsgebiet der Hydro-Umformung ist jedoch der Fahrzeugbau, insbesondere der Automobilbau. Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile sind sowohl im Antriebsstrang, im Fahrwerk als auch im Karosseriebereich (Struktur- und Anbauteile) zu finden. Typische An-wendungsfälle im Antriebsstrang sind z.B. Kraftstoffleitungen, Abgas-krümmer und -verteiler, Ansaugstutzen und Nockenwellen (s. Abb. 3.4.).

Für das Fahrwerk werden u.a. Motor- und Achsträger, Hilfsrahmen (s. Abb. 3.5.), aber auch Querlenker und andere Achskomponenten herge-stellt.


Kraftstoffsammel-leitung [43]

Abgaskrümmer [43]

Nockenwelle [FRAUNHOFER IWU]

Krümmer [SCHULERHYDROFORMING GMBH & CO. KG]

Abb. 3.4. Bauteile des Antriebsstrangs

Achsträger [43] Hilfsrahmen [SCHULER HYDROFORMING GMBH & CO. KG]

Abb. 3.5. Bauteile des Fahrwerks

Motivation für die Umstellung der Fertigungstechnologie auf Hydro-Umformung war neben der Gewichtseinsparung und Erhöhung der Pro-zesssicherheit insbesondere die Möglichkeit der Funktionsintegration in ein Bauteil, wobei durch die geringere Anzahl der Arbeitsstufen (und so-mit auch der Werkzeuge) eine Kostenreduzierung erzielt wird. Mittlerwei-le sind Hydro-Umformteile als Motor- und Fahrwerkskomponenten derart präsent, dass sie aus neuen Fahrzeugkonzepten nicht mehr wegzudenken sind. Die vorhandenen Realisierungsmöglichkeiten hinsichtlich Quer-schnitt, Bauteilabmessung und Wanddicke gestatten nicht nur eine optima-le Funktionalität, sondern auch ein hohes Flexibilisierungspotenzial.

Das größte Einsatzgebiet hydro-umgeformter Serien-Bauteile ist der Ka-rosseriebau. Die Motivation zum Einsatz dieser Technologie resultiert in erster Linie aus den Anforderungen an neue Fahrzeugkonzepte (Abb. 3.6.). Aus den Wechselbeziehungen zwischen Anforderungen und technischen Möglichkeiten ergibt sich der Handlungsspielraum, geeignete und wirt-schaftlich herstellbare Bauteile zu entwickeln.


Prozess-

sicherheit

Korrosions-

beständigkeit

Qualität Kosten

Komplexität

Plattform

Verbindungs-

technik

Styling

Optik Varianten

Optimierung

StrukturAußenhaut-

qualität

Werkzeuge

und Anlagen

Verfahrensintegration

Technologieentwicklung

Funktionsoptimierung

Crash Steifigkeit Festigkeit

Technologie

Werkstoffe

Leichtbau

Gewicht

Kraftstoffverbrauch

Abb. 3.6. Karosserie – Anforderungen und Entwicklungsrichtungen

So bestehen in der Hydro-Umformung Entwicklungspotenziale für um-fangreiche technische Lösungen sowohl in der Karosseriestruktur als auch bei Anbauteilen (Hang-on-parts). In Tabelle 3.1. sind wichtige Bauteile, die durch Hydro-Umformung realisiert wurden, aufgeführt.

Der Trend geht auch in Richtung hydro-umgeformter Bauteile mit De-sign-Elementen (Blenden, Zierleisten), bei denen eine hohe Oberflächen-güte gefordert wird. In der Fahrzeugindustrie wird die Hydro-Umformung zukünftig vor allem im kleineren Stückzahlbereich für Bauteile unter-schiedlichster Art Anwendung finden [43, 142].

Tabelle 3.1. Durch Hydro-Umformung hergestellte Bauteile

Rahmenteile Hang-on-parts weiterhin− kompletter Seitenträger

(4,5 m lang) − Quer- und Längsträger in

unterschiedlichster Ausführung und Dimension

− Dachrahmen (hinten und vorn) − Stirnwände (hinten und vorn) − Scharnierverstärkungen − A-, B-, C- und D-Säulen − Tür- und Säulenverstärkungen − Seitenaufprallschutz

− Kotflügel − Frontklappe − Heckklappe− Dach (komplett);

Schiebedachfenster − Türinnenblech

(Versuchsstadium)

− Federstütze − Tank

(teilweise partiell) − Stoßfänger − Crashabsorber − Kabelführungen


3.1.2 Anforderungen an das Bauteil

Besondere Anforderungen an ein Bauteil werden hinsichtlich

− Form- und Maßgenauigkeit, − Oberflächengüte, einschließlich Styling und Optik, − Wand- bzw. Blechdickenverläufen, − Formänderungsverläufen,− Verfestigungszustand (Steifigkeit, Crashsicherheit), − Masse und− Korrosionsbeständigkeit

gestellt. Die Wichtigkeit der einzelnen Parameter richtet sich nach der Funktion des Bauteils im Endprodukt. Die Hydro-Umformung bietet auf-grund ihrer Prozessspezifik und der Realisierbarkeit unterschiedlicher technologischer Varianten gute Chancen, auch erhöhte Anforderungen be-züglich der genannten Parameter zu erfüllen.

Die Einhaltung der Form- und Maßgenauigkeit ist i.d.R. das wichtigste Kriterium. Hier besitzen Hydro-Umformteile aufgrund der spezifischen Prozesscharakteristik, die durch günstige Reibbedingungen und Überlage-rung von Druckspannungen gekennzeichnet ist, Vorteile gegenüber kon-ventionell gefertigten Bauteilen. Durch ausreichendes Kalibrieren über ei-ne Erhöhung des Innendrucks können Radien und andere geometrische Elemente verfestigt werden, wodurch sich beispielsweise die Rückfede-rung stark reduzieren, teilweise sogar eliminieren lässt.

Hydro-Umformtechnologien eignen sich ebenfalls zur Erzeugung be-sonders guter Oberflächenqualitäten. Da zwischen Werkstück und Werk-zeugaktivteilelementen nur eine geringe Relativbewegung stattfindet, wird die Bauteiloberfläche geschont. Außerdem können Werkzeug- und techno-logisches Prinzip so ausgelegt werden, dass nicht die Gravur des Gesenks, sondern das Wirkmedium mit der Sichtfläche in Berührung kommt. Auf diese Weise sind auch Außenhautqualitäten realisierbar.

Häufig werden bei den Bauteilen Mindestwand- bzw. -blechdicken ver-langt. Auf der Grundlage von FEM-Simulationen können die Prozesspa-rameter so definiert werden, dass z.B. geforderte Mindestwerte nicht un-terschritten werden. Andererseits wird im Prozess eine Wand- bzw. Blechdickenreduzierung auf ein noch mögliches Minimalmaß angestrebt, um eine geringe Bauteil-Masse zu erreichen.

Auch die Einstellung eines definierten Formänderungs- und Verfesti-gungszustandes ist mit Hilfe spezifischer Prozessparameter zu erreichen. Dies ist möglich, indem durch die Abstimmung zwischen Innendruck und Axial- bzw. Schließkraft der Werkstofffluss gezielt gesteuert wird. Auch


das abschließende Kalibrieren kann dazu benutzt werden, die Anteile an Tiefzieh-, Biege- und Streckziehbeanspruchung entsprechend den Anfor-derungen an das Bauteil zu dosieren.

Inwieweit die gestellten Anforderungen in der Serienfertigung dann tat-sächlich erreicht werden können, hängt auch ab von

− den Eigenschaften des eingesetzten Bauteilwerkstoffs, − dem ausgewählten Halbzeug, − einer sinnvollen Vorbiegung und Vorformung und nicht zuletzt − von der Qualität der angewendeten Technologie sowie Werkzeug- und

Anlagentechnik.

3.1.3 Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung

In der Vergangenheit wurde bei der Entwicklung eines Bauteils primär Wert auf die funktionsgerechte Gestaltung gelegt. Relativ lange Ent-wicklungs- und Einarbeitungszeiten führten zu der Erkenntnis, dass bei der funktions- und formgerechten Gestaltung das Augenmerk gleichermaßen auf der fertigungsgerechten Gestaltung liegen muss. Dabei ist streng das Prinzip des „Simultaneous Engineering“ anzuwenden. Der spätere Produ-zent eines Werkstücks sollte, ebenso wie der Werkzeugentwickler, so früh wie möglich in die Bauteilgestaltung einbezogen werden. Nur so sind die Anwendung effizienter Prozesstechnologien sowie deren schnelle und problemlose Überführung in die Serienfertigung möglich. Diese Strategie ist allgemeingültig, trifft jedoch insbesondere auf die Entwicklung von Hydro-Umformteilen zu, da es sich hierbei oft um komplexe, im Prozess schwer zu beherrschende Bauteilgeometrien handelt.

Eine anwenderorientierte Projektabwicklung könnte beispielsweise me-thodisch, wie in Abb. 3.7. dargestellt, realisiert werden.

Für die Absicherung einer verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ist die Machbarkeitsanalyse, die hauptsächlich mit den Methoden der FEM-Simulation realisiert wird, von herausragender Bedeutung. Voraussetzung dafür sind zunächst eine Stadienplanung, die Definition eines konkreten Verfahrens für die Hauptformgebung sowie die Ableitung der Werkzeug-aktivteilflächen aus den CAD-Flächendaten des Bauteils. Mit Hilfe von Berechnungen und FEM-Simulationen sind zunächst sowohl die Herstell-barkeit des Bauteils als auch der Grad der Sicherheit und Reproduzierbar-keit in der Serienfertigung bei alternierenden Prozess- und vor allem tribo-logischen und Werkstoffparametern abzuschätzen. Ist der Prozess als relativ sicher anzusehen (keine Versagensfälle detektierbar), kann das vor-gegebene Bauteildesign bestätigt werden.


Vorgespräch

Idee/Aufgabe

Machbarkeitsanalyse

Prototypentwicklung

Prototypbau

Test mit unterschiedlichen Parametern

Optimierung

Serienwerkzeugentwicklung

Definition Qualitätsparameter

Serienfertigung

einfache,

sichere Teile

Anwender/Werkzeugentwickler

Entwickler Bauteil

Entwickler Bauteil

oder

Anwender/Werkzeugentwickler

Abb. 3.7. Beispiel einer Bauteilneuentwicklung

Treten Unzulänglichkeiten auf (Risse, Falten, zu starke Wand- oder Blechdickenreduzierung, Umformgrade zu nahe an der Grenzformände-rungskurve oder darüber), sind zunächst die Prozessparameter zu optimie-ren. Durch exaktes Abstimmen des Innendrucks auf die Axialkräfte bzw. die Schließkraft gelingt es i.d.R., die Versagensgrenzen zu verschieben. Auch die Wahl der richtigen Rohrlänge oder eines geschickten Zuschnitts bei der Blechbearbeitung sind wichtig. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz des richtigen Halbzeugs. Geringfügige Änderungen der mecha-nischen Eigenschaften des Bauteilwerkstoffs, des Durchmessers oder der Wanddicke des verwendeten Rohres können das Umformergebnis bereits verbessern. Reichen diese Maßnahmen dennoch nicht aus, so sind entwe-der zusätzliche Vorformoperationen vorzusehen oder die Bauteilgeometrie ist an die Möglichkeiten des vorgesehenen Verfahrens anzupassen. Bei dieser verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ist jedoch die spätere Funkti-on in der Baugruppe oder im Endprodukt unbedingt zu berücksichtigen.

Verfahrensgerechte Bauteilgestaltung bedeutet auch, die Verfahrensspe-zifik des Hydro-Umformens zu beachten. Typische Geometrieveränderun-gen vom Halbzeug zum Fertigteil sind beim Hydro-Umformen z.B. Querschnittsveränderungen (verbunden mit Umfangsvergrößerung), Aus-


halsungen bzw. Dombildungen, Durchsetzungen und Durchbrüche. Hier sind technologie- und anlagenabhängige geometrische Grenzen zu beachten.

Die typischen Arbeitsbereiche und die Grenzen des derzeitigen Standes der Hydro-Rohrumformtechnik sind in Tabelle 3.2. dargestellt.

Tabelle 3.2. Grenzen des derzeitigen Standes der Hydro-Rohrumformtechnik

Hauptparameter Häufigster Bereich in mm Maximalwerte in mm Rohrlänge ...1.500 (2.000) 12.000 Durchmesser 20...120 600 Wanddicke 0,5...4 50

Folgende grundsätzliche Hinweise sollten bei der Hydro-Rohrumfor-mung berücksichtigt werden:

− scharfe Ecken und Kanten vermeiden − „weich“ gerundete Übergangsbereiche vorsehen und konvex-konkav-

bzw. konkav-konvex-Übergänge unterlassen − homogene Formänderungsverteilung im Bauteil anstreben − größere ebene Flächen konstruktiv verändern (dies gilt im besonderen

Maße auch für die Hydro-Umformung von Blechen), so dass stattdessen z.B. Sicken und Formfelder oder leicht gekrümmte Bereiche (je größer die initiierte Formänderung des Werkstoffs, umso besser die Abformge-nauigkeit, desto geringer die Rückfederung) angewendet werden

Für die Bauteile, bei denen Werkstoff axial nachgeschoben werden kann, hat sich als günstiges Verhältnis von Rohrdurchmesser D zur Wand-dicke s die Beziehung D/s = 20...45 erwiesen. Wird dieser Wert überschrit-ten, besteht die Gefahr des Knickens oder Berstens. Werte darüber sind möglich, wenn die freie Knicklänge l, die im Allgemeinen l 2D betragen sollte, weiter verkürzt wird. Ist bei Bauteilen ein axiales Nachschieben nicht möglich, so entspricht die Grenze der erreichbaren Dehnung der hal-ben Bruchdehnung des Werkstoffs.

Für die Herstellung eines Bauteils ist eine möglichst große Ausbildung der Radien wichtig. Die herstellbaren Radien werden im Wesentlichen vom verfügbaren Innendruck bestimmt. Die meisten der derzeit eingesetzten Anlagen arbeiten mit einem maximalen Innendruck von pi = 4.000 bar. Nur vereinzelt stehen Anlagen mit höherem Arbeitsdruck zur Verfügung. Abbildung 3.8. zeigt, welche Innendrücke für die Realisierung eines be-stimmten Radien-/Wanddickenverhältnisses erforderlich sind, wobei die Festigkeit des Rohrwerkstoffs zu berücksichtigen ist. Die dargestellte Kur-ve gilt hauptsächlich für Stähle geringer und mittlerer Festigkeit. Bei Ver-wendung von hochfesten Stählen oder Edelstahl sind noch höhere Innen-drücke erforderlich.


1/1 2/1 3/1 4/1

Innenradius/Wanddicke [ -]

Inn

en

dru

ck

in

ba

r

erforderlicher Innendruck: pi max = f(rmin, kf, s)

kf = Umformfestigkeit

rmin = kleinster Innenradius des Bauteils

s = Wanddicke

pi

rmin

s

ASE Werkzeug

1000

3000

5000

7000

Abb. 3.8. Innendruck als Funktion des Radien-/Wanddickenverhältnisses nach [140]

Nebenformelemente, wie z.B. Dome oder andere Aufweitungen, sollten nahe am Nachschiebebereich des Rohres und möglichst an einem geraden Abschnitt angeordnet sein. Der Werkstoff lässt sich durch die Axialzylin-der viel einfacher über lineare als über gekrümmte Wege zum Nebenform-element transportieren. Bögen behindern den Werkstofffluss deutlich (vgl. Abb. 3.9.).

100% D

D

75% D

15% D

Abb. 3.9. Beispiel für erreichbare Domhöhen nach [140]

Die Anordnung erforderlicher Nebenformelemente sollte so weit wie möglich am Rohrende, also am Axialzylinder erfolgen. Infolge der Rei-bung zwischen Rohraußenwand und Gravur lässt sich der Werkstoff nicht mehr in innere Bereiche des Bauteils transportieren (s. Abb. 3.10.).

Sind mehrere Dome oder andere Nebenformelemente nacheinander in Werkstoffflussrichtung angeordnet, so fließt der Werkstoff nur in das dem Axialstempel am nächsten liegende Element. Durch die mehrfache Werk-stoffumlenkung gelangt kein zusätzlicher Werkstoff in die nachfolgenden Elemente, so dass dort entsprechend den mechanischen Kennwerten nur ein Fließen aus der Wanddicke erfolgt (Abb. 3.11.).


D

D

100%

2D 50% D

3D 20% D

<10% D>3D

Abb. 3.10. Domhöhe als Funktion der Entfernung vom Axialstempel

1. Formelement

2. Formelement

Faxial

Abb. 3.11. Absperrung des Werkstoffflusses

Die größten Formänderungen sind bei linearen Bauteilachsen und rota-tionssymmetrischen Querschnitten erreichbar. Unter optimalem axialem Nachschieben sind auf diese Weise Hauptumformgrade 1 = 0,8...1 er-reichbar.

Bei einer Krümmung der Bauteilachse kann der Werkstoff durch die Axialstempel nachgeschoben werden, wenn der Krümmungsradius R 5D (Rohrdurchmesser) beträgt. Dabei sollte die freie Knicklänge den Aus-gangsrohrdurchmesser D nicht überschreiten. Je kleiner der Krümmungs-radius wird, desto weniger Werkstoff kann ins Bauteilinnere hineintrans-portiert werden.

Die größten Aufweitverhältnisse hinsichtlich des Querschnitts sind bei freier Aufweitung zu erreichen, wenn die freie Knicklänge l = 2D (Rohr-durchmesser) beträgt. Höchste Formänderungen werden immer dann er-zielt, wenn der Querschnitt rotationssymmetrisch und genau in der Rohr-achse angeordnet ist. Bei unsymmetrischen Querschnitten sollte der Werkstoffnachschub möglichst axial erfolgen, da ansonsten wegen partiell zu großer Wandabstreckung ein Bersten eintritt. Liegen unsymmetrische


Querschnitte außerhalb der Rohrachse, so muss mindestens der halbe Um-fang des eingesetzten Rohres durch die Werkzeugkontur abgestützt sein.

Die Anforderungen an das Bauteil, insbesondere an die Abformgenau-igkeit, erhöhen sich deutlich mit dessen steigender Komplexität. So ist mit zunehmender Anzahl der Vorbiege-/Vorformoperationen (z.B. Zunahme der Biegebogenanzahl; Vergrößerung der Bauteillänge) durch die Addition der Ungenauigkeiten der Einzeloperationen und infolge der gegenseitigen Beeinflussung mit einer Abnahme der Bauteilgenauigkeit und geringerer Produktionsstabilität zu rechnen.

3.1.4 Funktionsoptimierte Bauteile

Während bei der verfahrensgerechten Bauteilgestaltung die generelle Her-stellbarkeit und vor allem die Absicherung der Produktionsstabilität im Mittelpunkt stehen, geht es bei der Funktionsoptimierung um die Erzeu-gung spezifischer Gebrauchswerteigenschaften des Endprodukts. Eine funktionsgerechte, vor allem aber funktionsoptimierte Bauteilherstellung erfordert eine Analyse der entscheidenden Einflussgrößen auf die Bauteil-endeigenschaften (s. Abb. 3.12.).

Halbzeug

- Werkstoffeigenschaften

- Herstellverfahren

Bauteil

- Geometrie

- Form- und Maßgenauigkeit

- Design

Maschine/Anlage

- Kräfte/Drücke

- Mehrpunktziehtechniken

Endeigenschaften

des Bauteils

Rohr

Abstimmung

Innendruck / Axialkraft

Blech

Abstimmung

Innendruck / Schließkraft

Prozess

- Vorformen

- Prozessparameter für den

gezielten Werkstofffluss

Abb. 3.12. Einflussgrößen auf die Bauteilendeigenschaften


Die Festigkeitseigenschaften werden maßgeblich durch die Zugfestig-keit des eingesetzten Rohr- oder Blechwerkstoffs, aber auch durch die geometrischen Parameter des Bauteils bestimmt. Kleine Radien führen, ebenso wie zusätzliche Formelemente (Sicken, Formfelder) zu Festigkeits-steigerungen in den gewünschten Bereichen. Erforderliche Genauigkeiten sind auch durch eine optimierte Prozessgestaltung zu erzielen. Hohe Kali-brierdrücke führen i.d.R. zu einer besseren Abformgenauigkeit, wodurch Rückfederungseffekte deutlich reduzierbar bzw. sogar eliminierbar sind.

Häufig werden bei wichtigen funktionalen Bauteilen (auch unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus) unterschiedliche Blech- bzw. Wanddicken in verschiedenen Bereichen gefordert. Dies kann durch eine gezielte Pro-zesssteuerung erreicht werden. Bei der Rohrumformung geschieht das durch eine günstige, zeitlich untersetzte Abstimmung zwischen Axial- und Innendruck, bei flächigen Bauteilen durch gezielte Beeinflussung des Werkstoffflusses, vor allem im Flanschbereich. Mit der Umsetzung einer differenzierten Tribologie oder dem Einsatz der Mehrpunktziehtechnik (unterschiedliche Pinolenkräfte über dem Umfang) sind spezielle Effekte erzielbar. Durch technologische Maßnahmen können Reibkräfte variiert werden, so dass beispielsweise durch ein Aufdicken der Rohre – günstig an den Einspannstellen (s. Abb. 3.13.) – eine Erhöhung oder, in anderen Bereichen, durch Abstrecken eine Reduzierung der Wanddicke erreicht wird. Auch Aufweitvorgänge, wie in Abb. 3.14. dargestellt, sind problem-los möglich (s.a. Abschn. 3.3.1.2).

Axialstempel

Rohr/Profil

Abb. 3.13. Aufdicken der Rohr- und Profilenden

Axialstempel

Rohr/Profil

Flansch

Abb. 3.14. Aufweiten (Flanschherstellung) an Rohr- und Profilenden

Eine geschickte Vorformgebung schafft günstige Voraussetzungen zum Erreichen der gewünschten Bauteileigenschaften. Eine einfache Möglich-


keit, ein finales Bauteil vor der Hauptformgebung aus mehreren Teilen zu-sammenzufügen, bieten solche Methoden wie die Verwendung von tailored blanks, tailored tubes oder auch Patchwork-Strukturen.

Die Anwendung der Verfahren Rundhämmern oder Rundkneten erlaubt eine signifikante Änderung des Bauteilumfangs bei gleichzeitiger Einstel-lung unterschiedlicher Wanddicken (s. Abb. 3.15.).

Neben den genannten Maßnahmen können Steifigkeitsverbesserungen auch durch technologische Optimierungen in Bezug auf die Formände-rungsverteilung erreicht werden. Dies ist in den Mittenbereichen flächiger Bauteile von Bedeutung. Werden bei konventionellen Ziehtechniken (Tief-ziehen) in Normalrichtung nur Umformgrade von n = 0,01...0,02 erreicht, so sind bei der Hydro-Umformung Umformgrade von n = 0,06...0,08 möglich. Nachgewiesen wurden diese Effekte an Frontklappen und Türau-ßenblechen.

Abb. 3.15. Wanddickenveränderungen durch technologische Maßnahmen [GFM GMBH, ÖSTERREICH]

3.2 Halbzeugeinsatz

3.2.1 Werkstoffe für die Hydro-Umformung

Grundsätzlich eignen sich für das Hydro-Umformen alle metallischen Werkstoffe, die auch bei anderen Kaltumformverfahren wie z.B. Tiefzie-hen oder Rohrbiegen eingesetzt werden. Voraussetzung ist deren plastische Umformbarkeit. Dennoch ist zu beachten, dass die einzelnen Werkstoffe infolge ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften auch eine un-terschiedlich gute Umformeignung besitzen.

Gute Umformbedingungen werden erzielt, wenn der Werkstoff ein fein-körniges Gefüge aufweist und weichgeglüht ist. Darüber hinaus sind hohe

3.2 Halbzeugeinsatz 47

Werte für Gleichmaß- und Bruchdehnung sowie ein gutes Verfestigungs-verhalten (hoher Verfestigungsexponent n) vorteilhaft.

Die meisten Werkstoffe sind anisotrop, d.h. die mechanischen Eigen-schaften sind also von der Walzrichtung abhängig. Wird ein Blech aus ei-nem anisotropen Werkstoff verarbeitet, muss der Blechzuschnitt so in das Werkzeug eingelegt werden, dass die höchsten Bruchdehnungswerte auch an den Stellen der höchsten zu erwartenden Umformgrade genutzt werden können. Bei der Rohrverarbeitung ist i.d.R. die Bruchdehnung quer zur Längsrichtung des Rohres kritisch.

Eine hohe Kaltverfestigung des Werkstoffs ist allgemein wünschens-wert, da neben der Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit des Bau-teils auch günstigere Gebrauchswerteigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit erreichbar sind. Bei einer hohen, durch die Umformung ini-tiierten Kaltverfestigung (Work-Hardening-Effekt) lassen sich jedoch bei-spielsweise sehr kleine Radien nicht mehr kalibrieren, da die Innendrücke der eingesetzten Anlagen begrenzt sind.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass bei der Rohrherstellung und evtl. auch bei Vorbiege- bzw. Vorformoperationen eine Vorverfestigung statt-gefunden hat. Ein Teil des zur Verfügung stehenden Umformvermögens ist dadurch bereits aufgebraucht, so dass die Möglichkeiten des eigentli-chen Hydro-Umformprozesses begrenzt sind. In diesem Fall muss ein Zwischenglühen erfolgen, was aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nur noch selten Anwendung findet. Die zu erwartenden Festigkeitssteigerun-gen betragen beim Vorbiegen bis zu 10%, beim Vorbiegen und Vorformen bis zu 50% und darüber, bei weichen Grundwerkstoffen im Schweißnaht-bereich ca. 60%.

Eine aufschlussreiche Beschreibung des Umformvermögens von Ble-chen erhält man durch Aufnahme und Interpretation von Grenzformände-rungsdiagrammen (Forming Limit Diagram FLD). Hierin wird eine Versa-gensgrenze, basierend auf den beiden Hauptdehnungen, definiert. Da bei der Hydro- gegenüber der konventionellen Umformung andere, weitge-hend auch nichtlineare Umformwege charakteristisch sind, ist die Anwen-dung vorhandener Grenzformänderungskurven im Hydro-Umformprozess nur bedingt möglich. Derzeit wird an verschiedenen Stellen versucht, mo-difizierte FLD zu ermitteln, die der Prozessspezifik der Hydro-Umformung besser gerecht werden. Durch die häufig auftretenden Spannungsüberlage-rungen sind beispielsweise so genannte Grenzformspannungsdiagramme (Forming Limit Stress Diagram FLSD) besser geeignet, die Versagens-grenzen zu beschreiben [119].

Die wichtigsten Werkstoffe für die Hydro-Umformung sind noch immer weiche, unlegierte Stähle und Aluminiumlegierungen, obwohl auch hier ein Trend zu höherfesten Werkstoffen feststellbar ist. Aluminium bietet ein


breites Sortiment gut umformbarer Ziehgüten, die sowohl als Blech als auch als Rohr lieferbar sind; dieser Flexibilität steht allerdings das traditi-onell ungünstigere Umformverhalten von Aluminium gegenüber Stahl ent-gegen. Branchenspezifisch werden auch Kupfer- und Messingwerkstoffe erfolgreich eingesetzt. Mit thermischer Unterstützung werden seit kurzem auch Magnesiumlegierungen umgeformt.

StahlwerkstoffeDas in Hydro-Umformprozessen verwendete oder erprobte Stahlsortiment reicht von weichen, unlegierten Blechwerkstoffen über ferritische Baustäh-le bis zu hochfesten Stahlblechen und austenitischen Edelstählen (vgl. Tabelle 3.3.).

Tabelle 3.3. Verwendete und erprobte Stahlsorten in Hydro-Umformprozessen

Einteilung nach Festigkeit Stahlsorten Weiche Stähle DC04...06 (1.0338; 1.0312/1.0873) Höherfeste Stähle ZStE180BH (1.0395)

ZStE220i = H220G1 (1.0346) ZStE260 = H240LA (1.0480) ZStE280i = H280G1 (1.0447) ZStE340 = H320LA (1.0548) ZStE420 = H400LA (1.0556)

Hochfeste Stähle DP500/600 = H270X/H310X (1.0938/1.0940) TRIP700/800 (noch nicht genormt) CP-W800/CP-W900 (1.8998/1.8949)

Insbesondere bei hochfesten Stählen ist die eingeschränkte Umformbar-keit zu beachten. Die Realisierung großer Ziehtiefen oder kleiner Radien ist bei diesen Werkstoffen nicht möglich. Zudem erfordert die hohe Fes-tigkeit sehr hohe Innendrücke und Schließkräfte.

Speziell für die Hydro-Umformung von Rohren wurden zur Verbesse-rung der Umformeigenschaften typische Werkstoffe modifiziert. Die weiterentwickelten Rohrwerkstoffe St 34, St 37 und St 52 erhielten als St 34-2mod, St 37-2mod und St 52-2mod eine höhere Bruchdehnung (teil-weise über 40%) und günstigere Verfestigungsexponenten n. Als Wellen-Werkstoffe für die Automobilindustrie wurden bereits C15/C45 (1.0401/1.0503) sowie 16MnCr5 (1.7139) eingesetzt. In der Klima- und Sanitärbranche gewinnen Edelstähle zunehmend an Bedeutung und lösen Messingwerkstoffe teilweise ab. Neben X5CrNi18-10 (1.4301) wird für T-Fittings z.B. X20CrMoV12 (1.4922) eingesetzt.

In [102] sind die technischen Lieferbedingungen für Präzisionsstahlroh-re sowie die mechanischen Eigenschaften der Rohrwerkstoffe dokumen-tiert. Präzisionsstahlrohre nach [102, Teil 2] werden über Ring und Dorn


gezogen und anschließend mit Aufmaß gewalzt und geschweißt. [102, Teil 3] beinhaltet „maschinenfertige“ Rohre, die direkt auf den geforderten Nenndurchmesser gewalzt werden. Die wichtigsten Lieferzustände von Rohren für die Hydro-Umformung sind in Tabelle 3.4. zusammengefasst. Weitere Ausführungen zu Stahlwerkstoffen finden sich in [182].

Tabelle 3.4. Wichtige Lieferzustände von Rohren nach [102]

Benennung Symbol (altes Kurzzeichen nach DIN 2393)

Erklärung

zugblank-hart +C (BK) Keine Wärmebehandlung nach der letz-ten Kaltumformung. Die Rohre haben deshalb nur geringes Umformvermögen.

zugblank-weich +LC (BKW) Kaltzug mit geringem Umformgrad nach der letzten Wärmebehandlung. In gewissen Grenzen kaltumformbar (Biegen, Aufweiten).

normalgeglüht +N (NBK) Nach der letzten Kaltumformung sind die Rohre oberhalb des oberen Umwand-lungspunktes unter Schutzgas geglüht.

Aluminiumlegierungen [3] Die Anzahl der in Hydro-Umformprozessen verwendeten Aluminiumle-gierungen ist sehr groß. Zu unterscheiden ist zwischen Feinblechen und nahtlos (strang)gepressten Rohren sowie Rohren, die durch Rollen und Schweißen von Feinblechen hergestellt werden. Die Auswahl erfolgt im Allgemeinen nach den gewünschten Bauteileigenschaften und der erfor-derlichen Umformbarkeit. Legierungen der Reihe 5000 (Tabelle 3.5.) eig-nen sich vor allem dann, wenn nicht die Festigkeit, sondern gute Umform-barkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen.

Tabelle 3.5. Einsatz von Aluminiumlegierungen der Reihe 5000

Halbzeug Aluminiumlegierung EinsatzBlech AlMg5Mn (AA 5182)

AlMg3 (AA 5754) Al 99,5 (AA 1050)

im Fahrzeugbau, vorzugsweise für Innenteile

Strangpress-profil

AlMg1 (AA 5005A) im Gerätebau, Bauwesen und der Verpackungsindustrie

Aufgrund ihrer Legierungselemente sind die meist aushärtbaren Legie-rungen der Reihe 6000 (vgl. Tabelle 3.6.) für höhere Festigkeiten geeignet. Niedriglegierte Werkstoffe wie AA 6060 sind mit AA 5005A vergleichbar. Durch Erhöhung des Kupferanteils weist AA 6061 höhere Festigkeitswer-


te, allerdings auch eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf. Noch bes-sere mechanische Eigenschaften bei guter Korrosionsbeständigkeit besitzt AA 6082, wozu auch der höhere Mn-Anteil beiträgt.

Hohe Kupfer- und Magnesiumanteile sind charakteristisch für hochfeste Legierungen wie AA 2024 und AA 7075 (vgl. Tabelle 3.7.). Die hohe Fes-tigkeit, die höchsten Beanspruchungen genügt, geht allerdings zu Lasten der Schweißbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit.

Tabelle 3.6. Einsatz von Aluminiumlegierungen der Reihe 6000

Halbzeug Aluminiumlegierung Einsatz Blech AlMg0,4Si1,2 (AA 6016)

AlSi1Mg0,8 (AA 6181) im Fahrzeugbau, vorzugsweise für Außenteile

Strangpress- profil

AlMgSi0,5 (AA 6060)

AlMg1SiCu (AA 6061) AlSi1MgMn (AA 6082)

vorwiegend im Fahrzeugbau, jedoch auch im Gerätebau und im Bauwesen mechanisch stark beanspruchte Teile und lasttragende Kom-ponenten im Hoch-, Apparate- und Fahrzeugbau, z.B. Space-Frame-Komponenten

Tabelle 3.7. Einsatz von Aluminiumlegierungen mit hohem Kupfer- und Magne-siumanteil

Halbzeug Aluminiumlegierung Einsatz Strangpress- profil

AlCu4Mg1 (AA 2024) AlZn5,5MgCu (AA 7075)

im Flugzeugbau und in der Wehrtechnik, aber auch im Maschinen- und Werkzeugbau sowie im Transportwesen

Zur zielgerichteten Anpassung einzelner Werkstoffe an die gewünschten Anforderungen werden verschiedene thermomechanische Prozessabläufe angewendet. Darüber hinaus gibt es Entwicklungen, die das Erreichen be-stimmter Bauteileigenschaften zum Ziel haben: Beispielsweise zeichnet sich die Legierung AA 6014 durch hohe Festigkeit bei respektabler Um-formbarkeit aus, wobei gleichzeitig im Wärmebehandlungszustand T7 (lö-sungsgeglüht, abgeschreckt, warmausgelagert und überhärtet) ausgezeich-nete Crasheigenschaften vorhanden sind.

Die Eigenschaften stranggepresster Aluminiumrohre genügen oft nicht den geforderten Ansprüchen, so dass Wärmebehandlungen erforderlich sind (s. Tabelle 3.8.).

Bei hohen gewünschten Umformgraden ist ein Weichglühen (-O) oder Lösungsglühen (-W) zu empfehlen. Werden lösungsgeglühte Teile an-


schließend sofort hydro-umgeformt, so schließt sich diesem Prozess im gut umformbaren Zustand ein Kaltaushärten an.

Weichgeglühte Rohre müssen nach dem Umformen lösungsgeglüht und ausgehärtet werden (-O), was nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern auch zusätzliche Eigenspannungen im Bauteil hervorrufen kann. Soll dies ver-mieden werden, muss ein Warmauslagern erfolgen. Der Erfolg der einzel-nen Wärmebehandlungsverfahren ist stark von einer exakten Erwärmungs- und Abkühlstrategie abhängig.

Tabelle 3.8. Thermomechanische Prozesswege bei stranggepressten Aluminium-rohren nach [63]

Prozessweg Beschreibung presshart (-F)

IHU

Strangpressen

pressabgeschreckt (-T1)

IHU

Warmauslagern

kaltausgehärtet (-T4)

IHU

Lösungsglühen RT-Aushärtung

überaltert (-T73)

IHU

Lösungsglühen und Überalterung

frisch abgeschreckt (-W)

IHU

Lösungsglühen Kaltaushärten

weichgeglüht (-O)

IHU

Weichglühen

Tem

pera

tur

Zeit

Magnesiumlegierungen Für die Hydro-Blechumformung ist vor allem die Speziallegierung AZ31B (MgAl3Zn – 3.5312) geeignet. Weitere gut warmumformbare und in An-wendung befindliche Legierungen sind AZ61A (MgAl6Zn – 3.5612) und


M1A (MgMn2 – 3.5200). Zu beachten ist, dass die für die Umformung wichtigen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom jeweiligen Lieferanten, aber auch von Charge zu Charge noch relativ großen Toleran-zen unterliegen.

Die Umformung von Magnesiumlegierungen muss heute fast aus-schließlich thermisch erfolgen, da die für die Umformung erforderlichen Dehnungswerte erst im Temperaturbereich von 180...230 °C erreicht wer-den. Zur thermischen Umformung von Magnesiumrohren, -profilen oder -blechen ist eine Erwärmung des Halbzeugs über das Medium oder/und über das Werkzeug erforderlich (s.a. Hauptabschn. 3.5.1).

Messinglegierungen In der Klima- und Wärmetechnik dominiert die Anwendung von Messing-legierungen. Umformbare Legierungen sind in [103] dokumentiert. Gute Umformeigenschaften besitzen die CuZn-Legierungen der Festigkeitsklas-sen F22...F37. Der am häufigsten im Hydro-Umformpozess verwendete Werkstoff ist CuZn37 (2.0321.10), der Bruchdehnungswerte von A5 = 50% aufweist.

KupferFür Rohr- und Rohrverbindungsstücke im Sanitärbereich ist SF-Cu (2.0090.10) mit einem Mindestbruchdehnungswert von A5 = 40% geeig-net. Praktische Anwendungsfälle gibt es außerdem für die Werkstoffe E-Cu (2.0065) und SE-Cu (2.0070).

Abschließend sei festgestellt, dass die Werkstoffauswahl sowohl gemäß der geforderten Geometrie und Funktion des Bauteils als auch in Abhän-gigkeit von der ausgewählten Technologie unter Berücksichtigung der Ge-samtprozesskette erfolgen muss.

3.2.2 Rohre und Profile

3.2.2.1 Durchgängige Rohre und Profile

Bei der Hydro-Umformung von Rohren und Profilen werden hauptsächlich

− gezogene oder geschweißte Rohre, − Doppelwandrohre,− axial gefügte oder vorgeformte Rohre oder − Strangpressprofile

eingesetzt. Im Weiteren werden hohlförmige Halbzeuge mit kreisrun-dem Ausgangsquerschnitt als Rohre, Halbzeuge, die keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, als Profile bezeichnet.


Am häufigsten kommen durchgängige Rohre und Profile zur Anwen-dung. Wegen der höheren Wirtschaftlichkeit wird zunächst versucht, kreis-runde Rohr- oder Profilabschnitte zu verwenden, wobei die Rohre gezogen oder auch walzprofiliert und geschweißt sein können. Muss der Ausgangs-querschnitt von der Kreisform abweichen, kommen Strangpressprofile zum Einsatz (s. Abb. 3.16. ).

Abb. 3.16. Durchgängige Hohlprofile nach [140]

Wesentliche Gründe dafür sind:

− komplizierte Bauteilgeometrien, die ansonsten nicht in einem Schritt herstellbar sind (unterschiedliche Wanddicken, Flansche, kleine Radien, Mehrkammerprofile)

− günstiges Verhältnis zwischen Steifigkeit und Bauteilgewicht

Bei der Verwendung von Strangpressprofilen sind sowohl die durch die Profilecken verursachten Behinderungen des Werkstoffflusses als auch das Andocken und Abdichten an den Stirnflächen der oft komplizierten Quer-schnittsform problematisch, weshalb die Anwendung dieser Halbzeuge bei Hydroumformoperationen derzeit noch begrenzt ist. In der Regel werden Strangpressprofile mittels Innendruck kalibriert, um enge Toleranzen be-züglich der Form- und Maßgenauigkeit einzuhalten.

Da die derzeit bestehenden Normen für Halbzeuge [102] relativ große Toleranzen sowohl in den mechanischen Eigenschaften als auch in Durchmessern und Wanddicken aufweisen2, sollten mit dem jeweiligen Lieferanten Sonderkonditionen mit Einschränkung der Toleranzbereiche verhandelt werden, um zu große Prozessschwankungen und Qualitäts-unterschiede zu verhindern.

Im Sinne einer technisch und wirtschaftlich optimalen Fertigung sind innerhalb der Arbeitsvorbereitung folgende Forderungen zu erfüllen:

− Bei geschweißten Rohren ist auf eine hohe Schweißnahtqualität zu ach-ten, um einem vorzeitigen Bersten der Bauteile an der Nahtstelle unter Einwirkung des Innendrucks vorzubeugen. Nahtüberhöhungen sind zu

2 Erfassungen in Serienproduktionen ergaben bei angelieferten Halbzeugen

Wanddickenunterschiede zwischen verschiedenen Chargen und Lieferanten von 0,2...0,3 mm.


vermeiden. Sind sie dennoch vorhanden, sollten sie abgearbeitet wer-den. Die Lage der Naht im Fertigteil ist zu berücksichtigen, sie sollte nicht in Bereichen höchster Zugbeanspruchung liegen.

− Beim Zuschnitt der Rohre ist sowohl auf die Längentoleranz (Richtwert: ± 0,5 mm) als auch auf die Winkligkeit der beschnittenen Stirnfläche zur Längsachse (Richtwert: ± 0,5°) zu achten. Bei Nichteinhaltung die-ser Toleranzen können, vor allem zu Beginn des Umformprozesses, Un-dichtigkeiten zwischen Dichtstempel und Rohr auftreten; außerdem neigt das Rohr zum Knicken.

− Die Trennflächenbereiche sollten nicht deformiert, aber spanfrei und entgratet sein. Das Anlegen von Fasen ist wegen des dann evtl. unsaube-ren Andockens des Dichtstempels eher als nachteilig anzusehen.

Eine dünne Grundbeölung auf dem Halbzeug ist oft vorteilhaft. Sie bie-tet nicht nur Schutz vor Korrosion, sondern erlaubt auch eine Umformung ohne zusätzliche Schmierung.

3.2.2.2 Konische Rohre

Erfordern Bauteile über die Länge signifikante, kontinuierliche Quer-schnittsunterschiede, deren Realisierung durch Aufweiten im Hydro-Umformprozess größere Formänderungen des Werkstoffs notwendig ma-chen, als sie bei der Verwendung eines kreisrunden zylindrischen Rohres möglich sind, sollten konische Rohre eingesetzt werden (Abb. 3.17.).

Konische Rohre werden vorwiegend nach einem speziellen Verfahren gerollt und mittels Laserschweißen gefügt. Auch konische Rohre können und müssen teilweise vorgeformt werden.

Abb. 3.17. Konisches Rohr (links Halbzeug, rechts umgeformtes, beschnittenes und abgekantetes Fertigteil) [143]


3.2.2.3 Abgesetzte Rohre

Komplizierte Bauteile mit großen bzw. häufigen Querschnittsänderungen lassen sich im Hydro-Umformprozess nicht aus zylindrischen Rohren her-stellen. Hier ist als Halbzeug ein vorgefertigtes Werkstück einzusetzen, das i.d.R. aus anderen Unternehmen zugeliefert wird.

Die bereichsweise aufgeweiteten, vorwiegend jedoch eingezogenen Rohre können beispielsweise durch spezifische Zuschnittsgestaltung, Rol-len und anschließendes Schweißen (s. Abb. 3.18.) oder durch Rundschmie-den (s. Abb. 3.19.) bzw. Rundkneten bereitgestellt werden.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass als Halbzeug bei der Rohr-umformung idealerweise ein gerades zylindrisches Rohr zum Einsatz kommen sollte. Von dieser Form muss in der betrieblichen Praxis oftmals abgewichen werden. Gründe dafür sind die immer komplexer werdenden Bauteile und die Tatsache, dass das Halbzeug sehr sauber in das Hydro-Umformwerkzeug eingelegt werden muss, um Abquetschungen in der Tei-lungsebene zu vermeiden. Auf geeignete Vorformtechnologien wird in Hauptabschn. 3.3.1 näher eingegangen. Der Anwender sollte jedoch be-rücksichtigen, dass eine Vorformung im Allgemeinen das weiterhin für die Hauptumformung zur Verfügung stehende Umformvermögen des Werk-stoffs reduziert und partielle Verfestigungen bewirkt.

Abb. 3.18. Halbzeugherstellung bei großen Durchmesserunterschieden: Formzu-schnitt – Rollen – Schweißen [WEIL ENGINEERING GMBH]


Abb. 3.19. Halbzeugherstellung durch Rundschmieden (Veränderung des Durch-messers und der Wanddicke) [GFM GMBH, ÖSTERREICH]

3.2.2.4 Gefügte Rohre und Profile

Gefügte Rohre und Profile können als optimierte Halbzeuge bezeichnet werden. Im Wertschöpfungsprozess zum Fertigteil erfordern sie jedoch mindestens noch eine, häufig sogar mehrere Arbeitsstufen.

Typische Beispiele gefügter Halbzeuge sind „maßgeschneiderte“ Rohre, so genannte tailored tubes oder tailored welded tubes, die fast ausschließ-lich bei Rohren, derzeit aber kaum bei Profilen angewendet werden.Grundsätzliche Ausführungsvarianten sind in Abb. 3.20. dargestellt.

Höherfester Stahl

Weicher Stahl

Abb. 3.20. Bereiche unterschiedlicher Werkstoffgüten (links) und Wanddicken (rechts)

Bestimmte Bereiche des Rohres, die spezifische funktionale Aufgaben zu erfüllen haben, erhalten entweder unterschiedliche Werkstoffgüten oder es werden Bereiche unterschiedlicher Wanddicken gebildet. In letzterem Fall sollten die Absätze zwischen den einzelnen Bereichen im Rohrinneren liegen; dies ist für die Werkzeugfertigung und vor allem für den Umform-prozess günstiger. Auch gefügten Rohren mit unterschiedlichen Wanddi-cken können differenzierte Werkstoffeigenschaften zugeordnet werden.

Die Herstellung von tailored welded tubes erfolgt im Allgemeinen durch Laserschweißen ebener, bereits „maßgeschneiderter“ Platinen, schrittwei-ses Einrollen und anschließendes Fügen durch Laserschweißen.


Teilweise werden auch Rohrabschnitte unterschiedlicher Werkstoffgü-ten oder Wanddicken stirnseitig zusammengeschweißt. Grundsätzliche Ausführungsvarianten sind in Abb. 3.21. dargestellt.

tailored weldedtube mit Flansch

e

Werkstoff / Blechdicke 1


Flansch mit

Schweißnaht

R

R

tailored weldedtube ohne Flansch



Längsschweißnaht

R



Querschweißnaht

R

Abb. 3.21. Grundsätzliche Ausführungsvarianten von tailored welded tubes nach [33]

Weiterentwickelte Laserschweißtechnologien führten dazu, dass die Nähte der tailored tubes heute nicht nur geradlinig sein müssen. Es sind nahezu beliebige Nahtverläufe möglich. Dabei können auch sehr dünn-wandige Verbünde hergestellt und Durchmesser-/Blechdickenverhältnisse von mehr als 60:1 realisiert werden.

Die tailored welded tubes werden vor dem Hydro-Umformprozess i.d.R. vorgebogen (Abb. 3.22.).

Abb. 3.22. Vorgebogenes tailored tube [20]

Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung eines verbesserten, „intelli-genten“ Halbzeugs bietet die Patchwork-Technik. Mit dieser Methode werden auf die flachen Zuschnitte oder, falls dies technisch möglich ist, auch in ein vorhandenes Rohr oder Profil lokal so genannte Patchbleche auf- bzw. eingebracht. Im umgeformten Zustand bzw. im Fertigprodukt haben diese Patchbleche eine Versteifungsfunktion. Abbildung 3.23. zeigt zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Anordnung von Patchblechen auf einem Grundblech.


Die Patchbleche und -rohre können sich sowohl in der Wanddicke als auch in der Werkstoffgüte von der Grundausführung unterscheiden. Als Fügeverfahren kommen Schweißen oder Kleben in Betracht. Derzeit gibt es allerdings kaum serienmäßige Anwendungen dieser Technik.

Patchblech

Zuschnitts-platine

Abb. 3.23. Patchwork-Technik beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen

Bei der Patchwork-Technik werden die Patches vorwiegend innen ange-ordnet. Allerdings gibt es auch Lösungen, Rohrabschnitte außerhalb des Grundrohres anzubringen. Abbildung 3.24. zeigt geklebte Verstärkungen im Innen- und Außenbereich eines Rohres, eingelegt in ein Hydro-Umformwerkzeug.

Werkzeug

Grundblech

Axialstempel

Patchblech(Rohrabschnitt)

außen

Patchblech(Rohrabschnitt)innen

Abb. 3.24. Patchblech auf dem Innen- und Außenbereich des Grundbleches (Roh-res) vor der Umformung

Im umgeformten Zustand stellt sich die Patch-Struktur, wie in Abb. 3.25. dargestellt, ein.

Werkzeug

Grundblech(Rohr)

Axialstempel

Patchblech(Rohrabschnitt)

außen

Patchblech(Rohrabschnitt)innen

Abb. 3.25. Hydro-umgeformte Patch-Struktur

Auf die Fügestelle zwischen Grund- und Patchblech sollten möglichst keine großen Zugspannungen wirken, da ansonsten die Haltbarkeit des Verbundes gefährdet ist.

In Abb. 3.26. ist ein weiteres Beispiel dargestellt, wie durch zusätzliche geschlossene Rohrabschnitte am Außendurchmesser spezifische Funkti-


onsflächen geschaffen werden können. Ergänzende Ausführungen hierzu sind in den Abschnitten 3.3.2.4 und 3.5.3.3 zu finden.

Abb. 3.26. Gefügte Abschnitte

3.2.3 Blechzuschnitte

Beim Hydro-Umformen von Rohren und Profilen ist das herstellbare Tei-lespektrum auf längsachsenorientierte Bauteile beschränkt. Bei der Her-stellung komplexerer und komplizierterer, vor allem (groß)flächiger Bau-teile durch Hydro-Umformen ist der Einsatz flacher Platinen sinnvoll. Die Variantenvielfalt hinsichtlich der mechanischen Werkstoffeigenschaften ist bei Flachhalbzeugen erheblich größer als bei Rohren und Profilen. Blech-zuschnitte sind sowohl in hoher Tiefziehqualität als auch in höher- und hochfesten Stahlsorten geringer Dehnung verfügbar. In der Hydro-Umfor-mung von Blechen kommen vorzugsweise

− flache Einzelplatinen, − übereinander gelegte flache Einzelplatinen (teilweise auch als Doppel-

platine bezeichnet), − verschiedenartig gefügte Platinen sowie − aus Platinen vorgeformte Umformteile

zum Einsatz. Die Verwendung flacher Einzelplatinen beim Hydro-Um-formen unterscheidet sich kaum von der konventionellen Umformtechnik. Es werden Rechteck- und Trapezplatinen sowie Formzuschnitte eingesetzt (Abb. 3.27.).

Rechteckplatine Trapezplatine Formplatine

Abb. 3.27. Einzelzuschnitte


Die in der konventionellen Fertigung übliche Arbeitsweise vom Coil di-rekt in die Kopfpresse wird bei der Hydro-Umformung bisher kaum ange-wendet. Die Platine wird entweder mit Hand oder per Feeder oder Roboter in die Hydro-Umformanlage eingelegt.

Bei der Verwendung von zwei flachen Einzelplatinen werden im All-gemeinen zwei wesentliche Vorteile erzielt:

− gute Passgenauigkeit der Teile zueinander, insbesondere dann, wenn sie zusammen weiterverarbeitet werden

− bessere Wirtschaftlichkeit durch eine nahezu halbierte Taktzeit

Aus letzterem Grund wird dazu übergegangen, ähnlich wie bei der Rohrfertigung nicht nur zwei, sondern, den Möglichkeiten der Teile- und Anlagengröße entsprechend, vier oder auch mehr Platinen gleichzeitig um-zuformen.

Bei der Doppelplatinen-Verarbeitung können auch Bauteile mit unter-schiedlichen Geometrien, Ziehtiefen und Abwicklungselementen gemein-sam umgeformt werden. Zum Beispiel bereitet die gemeinsame Umfor-mung von zwei Platinen mit einem Verhältnis der Ziehtiefen von 1:3 bis 1:4 keine wesentlichen Schwierigkeiten. Das bedeutet, dass die Abmes-sungen der beiden Platinen nicht identisch sein müssen. Auch die mecha-nischen Eigenschaften und Blechdicken können sich unterscheiden.

Eine weitere Halbzeugvariante sind gefügte Platinen, wobei folgende Varianten im Vordergrund stehen:

− verschweißte Doppelplatinen − tailored blanks − Patchwork-Technik

Verschweißte Doppelplatinen (Abb. 3.28.) haben gegenüber den unver-schweißten den Nachteil geringerer Geometrievielfalt zwischen den beiden gemeinsam umgeformten Platinen. Es sind nur sehr geringe Ziehtiefenun-terschiede möglich. Der Vorteil liegt im Wesentlichen in der absoluten Dichtheit beim Aufbau des Innendrucks.

Innenhochdruck-Blechumformung

Schweißnaht

pi

Abb. 3.28. Verschweißte Doppelplatine


Zur Realisierung spezieller technologischer Varianten kann auch eine kleinere Platine lokal in einen Grundzuschnitt eingeschweißt werden (Abb. 3.29.).

Schweißnaht

pi

Abb. 3.29. Lokal verschweißte Doppelplatine

Tailored blanks (Abb. 3.30.) werden in der konventionellen Umform-technik erfolgreich zur Herstellung belastungsoptimierter Bauteile einge-setzt. Die dort erprobten Technologien finden zunehmend auch beim Hydro-Umformen Anwendung.

Ziel ist es, Bauteilbereiche, die spezifische Funktionen zu erfüllen ha-ben, durch unterschiedliche Werkstoffgüten oder Blechdicken bereits im Halbzeug für die Umformung und den späteren Gebrauch vorzubereiten.Auch in der Blechverarbeitung sollten die Absätze zwischen den einzelnen Bereichen ins Teilinnere gelegt werden; dies ist für die Werkzeugfertigung und vor allem für den Umformprozess günstiger.

Innenhochdruck-Blechumformung

Schnitt A-A

A A

Schweißnaht

Abb. 3.30. Tailored blank (ausgewähltes Beispiel)

Patchwork-Strukturen werden auch als „intelligente“ Halbzeuge be-zeichnet. In Bereichen des Grundzuschnitts, in denen das spätere Produkt-bauteil besonders belastet ist, werden so genannte Patchbleche aufge-bracht. Das Aufbringen erfolgt hauptsächlich durch Laserschweißen, z.T. wird auch geklebt oder eine kombinierte Füge-/Klebeverbindung gewählt. Diese lokale Verstärkung führt zu verbesserten Steifigkeits- und Festig-keitseigenschaften bei minimalem Gewicht. Das Grundblech kann in den meisten Bereichen eine geringere Blechdicke aufweisen; die Funktion wird


durch die partiellen Verstärkungen dennoch gesichert. Abbildung 3.31. zeigt Einsatzmöglichkeiten der Patchwork-Technik am Beispiel einer Mo-torhaube. Hier wurden nur die Schloss- und Scharnierbereiche durch Patchbleche verstärkt.

Anordnung der Patchbleche Umgeformte Motorhaube

Patches

Abb. 3.31. Patchwork-Struktur (Beispiel Motorhaube)

Bei der Umformung gefügter Platinen ist zu berücksichtigen, dass Fü-gestelle und Blechwerkstoff unterschiedliche Festigkeiten aufweisen. Die Schweißnaht besitzt ein geringeres Formänderungsvermögen; der die Schweißnaht umgebende Bereich des Grundwerkstoffs weist dagegen hohe Formänderungen auf. Dies führt zu Inhomogenitäten im Umformprozess. Im Extremfall kann ein nicht vorhergesehener Versagensfall eintreten.

3.2.4 Umformteile

Grundsätzlich können als Halbzeuge für Hydro-Umformbauteile auch kon-ventionell umgeformte Zwischenformen eingesetzt werden. Diese Variante ist vor allem dann sinnvoll, wenn dadurch wirtschaftliche oder funktionale Vorteile erzielbar sind. Derartige Gründe sind z.B.:

− Das Bauteil ist kompliziert und komplex; es sind mehrere Umformstu-fen erforderlich. Durch teilweisen Einsatz der Hydro-Umformung redu-ziert sich die Anzahl der Umformstufen.

− Das Bauteil weist mehrere Nebenformelemente auf, die – nach konven-tioneller Herstellung der Hauptgeometrie – durch Hydro-Umformung eingebracht werden.

− In bestimmten Bauteilbereichen bestehen definierte Steifigkeitsforde-rungen. Die erforderlichen Werkstoffanhäufungen werden durch das Tiefziehen, die notwendigen Formänderungen durch das Hydro-Umfor-men erzielt.

− Das Bauteil weist in der Geometrie eine große Krümmung auf, so dass das Vorbiegen konventionell und die Endausformung mit Wirkmedium erfolgen sollte.


Ein Beispiel für den Einsatz konventionell umgeformter Zwischenfor-men ist die Kombination Tiefziehen/Hydro-Umformen bei der Herstellung eines Motorradtanks. In Abb. 3.32. ist eine durch Tiefziehen gefertigte Vorform des Tankoberteils dargestellt. Herkömmliche Tanks bestehen aus drei bis fünf Hauptblechteilen, für deren Herstellung insgesamt 15 bis 21Umform-, Schneid- bzw. Lochoperationen erforderlich wären, wobei das nachfolgende mehrfache Schweißen ebenfalls zu berücksichtigen ist.

Abb. 3.32. Tiefziehteil als Vorform für das Innenhochdruck-Blechumformen (FEM-Simulation)

Durch Kombination konventioneller Tiefzieh- mit Hydro-Umformope-rationen kann der Motorradtank aus zwei Hauptblechteilen (Ober- und Un-terschale) gefertigt werden. Die erforderlichen Bearbeitungsstufen werden reduziert (6 bis 12). Abbildung 3.33. zeigt die mit fluidem Wirkmedium umgeformte Oberschale. Als Vorform wurde ein Tiefziehteil eingesetzt.

Abb. 3.33. Durch Innenhochdruck-Blechumformung (IHB) hergestellte Oberscha-le eines Motorradtanks (FEM-Simulation)


3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen

3.3.1 Vorformen

3.3.1.1 Technologischer Aspekt

Die Hydro-Umformung von Rohren und Profilen, auch als Innenhoch-druck-Umformung (IHU) bezeichnet, ermöglicht die Fertigung komplexer Bauteile mit einer Vielzahl von Nebenformen, deren Längsachsen mehr oder weniger stark von der geraden Hauptform abweichen können. Ab-hängig von Art und Lage der herzustellenden Haupt- bzw. Nebenformen sind dem IHU durch werkzeug-, werkstoff- und prozessseitige Randbedin-gungen wie

− dem kollisionsfreien Einlegen des Halbzeugs bzw. der Vorform in das IHU-Werkzeug,

− dem anschnittsfreien Schließen des IHU-Werkzeugs,− dem Abdichten der Bauteilenden durch die Axialstempel und dem Be-

füllen mit dem IHU-Medium, − den bauteilspezifischen Werkstoffeigenschaften wie Verfestigungsver-

halten und Grenzformänderung, − den wirkenden Reibbedingungen sowie − dem Lastkurvenverlauf pi = f(Faxial)

Faxial Axialkraft pi Innendruck

verfahrensbedingte Grenzen für eine einstufige Fertigung gesetzt. Ab-hängig von der Bauteilkomplexität können die genannten Randbedingun-gen die Entwicklung einer mehrstufigen Prozesskette erforderlich machen, für die auch eine optimierte Vorform für den IHU-Prozess abgeleitet wer-den muss. Die Festlegung der Vorformgeometrie sowie der Stufenfolge der Vorformoperationen erfolgt mit dem Ziel, die Qualität des IHU-Bau-teils sowie einen stabilen IHU-Prozess bei ganzheitlich wirtschaftlicher Prozesskettenauslegung zu gewährleisten. Grundlegende technologische Arbeitsweisen bei der Vorformgestaltung sind gezielte Masseverteilung und Querschnittsvorbildung.

Die Masseverteilung dient der Schaffung und Erhaltung von Umformre-serven zur Vermeidung von Werkstoffversagen. Dies geschieht durch lo-kale Materialanhäufungen wie z.B. Wandaufdickungen in Quer-, Längs- und Umfangsrichtung am Bauteil oder lokal eingebrachte Formelemente (z.B. Sicken), die die Ausformung spezieller Querschnittsgeometrien im IHU-Prozess begünstigen bzw. die Verwendung geometrisch einfacherer Halbzeuge erlauben.

3.3 Hydro-Umformung von Rohren und Profilen 65

Die Halbzeuggeometrie wird der Fertigteilgeometrie durch Quer-schnittsvorbildung vor dem IHU angenähert. Dies kann partiell in Längs-, Quer- und Umfangsrichtung sowie über die gesamte Halbzeuglänge erfol-gen. Ziele sind dabei

− die Schaffung eines günstigen Formfüllungsgrades der in das IHU-Werkzeug eingelegten Vorform,

− die Verringerung der Fließwege und der Kontaktreibung, − die Optimierung der Wanddickenverteilungen, − das Vermeiden des Werkstoffversagens und − die Ausbildung günstiger Konturen an den Bauteilenden zur Vorberei-

tung des Abdichtens gegen den Innendruck.

Die Masseverteilung und/oder Querschnittsvorbildung können sowohl unmittelbar durch die Schließbewegung des Maschinenstößels bzw. durch Verfahrensintegration im IHU-Werkzeug als auch mittelbar in separaten Vorformstufen außerhalb der IHU-Anlage realisiert werden. Wichtige Vor-formverfahren sind entsprechend der Unterteilung der Umformverfahren nach DIN 8582 in [93, 94, 95] zu finden. Im Rahmen der IHU-Prozess-kette kann nach der Art der herzustellenden Vorformgeometrie in Verfah-ren zur Vorformung der IHU-Hauptform wie dem Biegen, Gesenk-, Streck- und Querschnittsformen bzw. in Verfahren zur Vorformung von Nebenformelementen wie dem Biegen, Anstauchen, Einziehen, Aufweiten und Sicken unterschieden werden. Aufgrund der Anwendbarkeit sowohl für die lokale und integrale Bauteilvorformung im IHU-Werkzeug als auch in separaten Umformstufen besitzen die Biegeverfahren unter den Vor-formverfahren eine herausragende Bedeutung.

3.3.1.2 Verfahrensvarianten

Die Vielfalt des durch IHU herstellbaren Teilesortiments wird letztlich von Innovationen, Möglichkeiten und Grenzen der Vor- und Zwischenformge-bung geprägt. Nachfolgend sind einige industriell erprobte Verfahrensvari-anten und innovative Ausführungsmöglichkeiten erläutert.

Wandaufdickung an Hohlprofilen Abbildung 3.34. zeigt eine Vorformvariante zur Masseverteilung durch Druckumformen im IHU-Werkzeug zur Herstellung partieller Wandauf-dickungen an Hohlprofilen nach [113]. Das Umformprinzip basiert auf der Längsstauchung ausgewählter Werkstoffbereiche, die zu Vorgangsbeginn aufgrund zusätzlicher Aussparungen in der Werkzeuggravur keinen Kon-takt zu dieser besitzen. Entsprechend dem Vorgangsablauf wird ein gera-der oder gebogener Profilabschnitt in das Werkzeug eingelegt, der nach


dem Schließen der Werkzeughälften, dem Anfahren der Axialkolben und dem Befüllen mit dem IHU-Medium durch den Innendruck pi und die Axi-alkraft Faxial beaufschlagt wird. Abhängig vom Verlauf der Prozesskurve führt der Innendruckanstieg in den Kontaktbereichen zwischen Profilab-schnitt und Werkzeuggravur zum Klemmen der Profilwand am Werkzeug. Durch axiales Nachschieben kann der Profilquerschnitt in den freiliegen-den Bereichen der Werkzeuggravur aufgeweitet und gleichzeitig zum Auf-stauchen gebracht werden. Wesentlichen Einfluss auf eine fehlerfreie Wandaufdickung besitzen das Wanddicken-Durchmesser-Verhältnis s0/D0,der Bauteilwerkstoff, der Verlauf der Lastkurve pi = f(Faxial), die tribologi-schen Verhältnisse, die herzustellenden Aufdickungsabmessungen sowie deren Lage am Gesamtbauteil.

Rohr

Axialstempel

Werkzeug

Haltekante

Faxial Faxial

Variante 1

Variante 2

Variante 3

pipi

Abb. 3.34. Verfahrensprinzip und Gestaltungsvarianten der Wandaufdickung nach [113] Faxial Axialkraft

pi Innendruck

SchwenkbiegenVon den gängigen Biege-Vorformverfahren für Rohre und Profile werden industriell überwiegend die in Abb. 3.35. schematisch dargestellten Schwenkbiegevarianten, das rotatorische Press- und das rotatorische Zug-biegen, angewendet. Beide Varianten sind der einfach fortschreitenden Biegeumformung von stabförmigen Profilen mit konstantem Querschnitt zuzuordnen und arbeiten mit formspeichernden Biegewerkzeugen, die ein Biegen mit Dorn erlauben. Beide Biegeverfahren werden vorzugsweise im kalten Zustand ausgeführt.

Beim rotatorischen Pressbiegen wird das freie Ende eines Profilstabs mit Hilfe einer Spannbacke gegen eine Biegeschablone geklemmt, die ent-sprechend dem Profilquerschnitt ausgeführt ist. Durch tangentiale Schwenkbewegung einer Biegeleiste um die Biegeschablone erfährt die vormals gerade Profillängsachse eine Richtungsänderung und das Profil wird gegen die Biegeschablone gepresst. Biegeschablone und Biegeleiste bilden während der Umformung ein fortschreitendes Kaliber, das ein Aus-knicken des Profilquerschnitts verhindert. Die tangential wirkende Um-


formkraft an der Biegeleiste besitzt einen Hebelarm zum Drehpunkt um die Biegeschablone, so dass ein Biegemoment wirkt. Zur Verbesserung der Reibkontaktbedingungen im Kaliber wird die Biegeleiste oftmals als Bie-gerolle ausgeführt. Der Biegeradius ist durch die Kontur an der Biege-schablone vorgegeben.

Beim rotatorischen Zugbiegen dagegen wird das freie Ende des Profil-stabes in einer Gleitleiste geführt und durch ein zur Biegeschablone ortsfest gelagertes Klemmstück gegen die Biegeschablone gedrückt. Bie-geschablone, Klemmstück und Gleitleiste sind entsprechend dem Profil-querschnitt ausgeführt. Die Richtungsänderung der Profillängsachse wird durch eine Drehbewegung der Biegeschablone erzielt. Während der Um-formung bilden Biegeschablone und Gleitleiste ein ortsfestes Kaliber. Ab-hängig vom Abstand der Profillängsachse zum Drehpunkt der Biegeschab-lone existiert ein Hebelarm, der dem herzustellenden Biegeradius entspricht.

Biegeschablone

Biegeprofil

Gleitleiste

Klemmstück

Rotatorisches Zugbiegen

Biegeprofil

Biegeschablone

Spannbacke

Biegeleiste

Rotatorisches Pressbiegen

Abb. 3.35. Verfahrensvarianten des Schwenkbiegens von Rohren

Beide Verfahrensvarianten sind durch mehr oder weniger starke Quer-schnittsdeformationen bzw. Ovalisierungen sowie durch Rückfederung der Profilquerschnitte nach Entlastung der Spannbacke bzw. des Klemmstücks gekennzeichnet. In [57, 82] sind umfangreiche analytische und numerische Ergebnisse zur Rückfederungsberechnung für das rotatorische Zugbiegen dargestellt, die einen Rückfederungsbereich von 1% bis 10% für das Bie-gen mit bzw. ohne Dorn umfassen. Die herstellbaren bezogenen Biegera-dien R/D0 werden vom Einbauraum für die formspeichernde Biegeschab-lone begrenzt. Nach [123] gilt beim Vorbiegen durch IHU als oberer Grenzwert für den bezogenen Biegeradius R/D0 ≤ 6,0...7,0. Abbildung 3.36. zeigt die Ausführungsform der Werkzeugaktivteile an einer CNC-Biegemaschine.


Abb. 3.36. Ausführungsform für das rotatorische Zugbiegen [SCHWARZE-ROBITEC GMBH]

Streckbiegen Weitere Vorformmöglichkeiten sind durch die Verfahrensvarianten des Streckbiegens gegeben. Das Verfahrensprinzip beruht auf der Überlage-rung von Zugspannungen entlang der Profillängsachse, um eine stärkere Werkstoffplastifizierung zu realisieren. Die zusätzliche Zugbeanspruchung bewirkt die Verlagerung der neutralen Faser in Richtung Druckbereich, so dass auf der Zugseite höhere und auf der Druckseite niedrigere Dehnungen erzielt werden. In Verbindung mit einer geeigneten Bauteilführung kann eine deutlich geringere Querschnittsdeformation erreicht werden.

In der Praxis werden die Verfahrensvarianten Tangentialstreckbiegen und Abrollstreckbiegen, einschließlich des räumlichen Abrollstreckbie-gens, unterschieden.

Das Tangentialstreckbiegen nach Abb. 3.37. ist durch einen beidseitig eingespannten und unter Zugbeanspruchung stehenden Profilstab gekenn-zeichnet, dessen Profilquerschnitt sich aufgrund von Relativbewegungen zwischen formspeicherndem Werkzeug und Spannelement an das Werk-zeug anlegt. Während des Tangentialstreckbiegens bilden sich zwei orts-veränderliche Umformzonen aus, die bei symmetrischer Prozessauslegung die gleichzeitige Fertigung von linken und rechten Teilen ermöglichen.


y

xz

Kraftmessdosen

Maschinentisch

Profil

Führungen

Antriebsspindel

Verfahrtisch

Hydraulikzylinder

WerkzeugSpannelement

Gelenk

Antrieb mit

Kupplung

Abb. 3.37. Verfahrensvariante Tangentialstreckbiegen nach [35]

Im Gegensatz zum Tangentialstreckbiegen wird beim Abrollstreckbie-gen, wie in [1, 35] dargestellt, das Profil ein- oder beidseitig im Werkzeug gespannt und durch Rotation des Werkzeugs entsprechend der Werkzeug-kontur „aufgewickelt". Bei einseitiger Werkzeugeinspannung wird die Überlagerung der Zugspannung durch Krafteinleitung am freien Ende des Profilstabs erzielt. Bei beidseitiger Werkzeugeinspannung der Profilenden sowie bei Ausformung nicht rotationssymmetrischer Biegekonturen muss der Rotationsbewegung eine translatorische Bewegung überlagert werden. Dies kann bei räumlichen Biegekonturen zu sehr komplexen Prozesskine-matiken führen.

Durch spezielle Andock- und Abdichtsysteme sowie eine adaptive Pro-zessführung kann das Streckbiegen der Werkzeugschließbewegung über-lagert werden.

Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung Jüngere Entwicklungen zielen auf die tiefergehende Erschließung neuerer Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung. Eine Variante des Zwei-walzen-Rundbiegens stellt das Profilbiegen mit elastischer Matrize dar. Das Verfahren basiert auf der Umformung eines Profils zwischen einer drehbar gelagerten Walze und einer Elastomer-Matrize. Die Matrize ist in einem starren Koffer eingebettet und bewegt sich während der Umformung in horizontaler Richtung. Durch die gleichzeitige Vertikalbewegung der Walze wird das Profil in die Matrize gedrückt und ein solcher Druck auf das Profil ausgeübt, dass das für die Umformung erforderliche Biegemo-ment erzeugt wird. Durch diese Verfahrensvariante können sowohl offene als auch geschlossene Profilquerschnitte umgeformt werden. Das Auskni-cken der Profilstege an offenen Profilen wird während der Biegeumfor-mung in gewissen Grenzen durch die seitliche Stützwirkung der elasti-schen Matrize verhindert. Abbildung 3.38. zeigt das Verfahrensschema und die Versuchseinrichtung nach [87].


Vorschubbewegung

elastische Matrize

Biegeprofil

Walze

Matrizenkoffer

Abb. 3.38. Verfahrensprinzip und Versuchseinrichtung für das Profilbiegen mit elastischer Matrize nach [87]

Das dreidimensionale Freiformbiegen mit einer HexaBend-Biege-maschine [78] ist eine weitere Möglichkeit der Vorformgebung für Rohre und Hohlprofile. Sie basiert auf Relativbewegungen zwischen einem star-ren und einem in sechs Achsen beweglichen Biegewerkzeug bei gleichzei-tiger Vorschubbewegung des Biegeprofils durch die Biegewerkzeuge hin-durch (s. Abb. 3.39.). Die kontinuierliche Umlenkung der geraden Bauteillängsachse ermöglicht die Herstellung dreidimensional gebogener Profilfiguren in großer Länge sowie in Mehrfachkurventechnik als Bogen-an/in-Bogen-System.

Der parallelkinematische Antrieb des beweglichen Biegewerkzeugs er-möglicht zusätzlich eine lokale Tordierung der Querschnitte entlang der Bauteillängsachse. Für das kinematische Umformprinzip genügen Werk-zeuge mit relativ geringem Formspeichergrad, so dass für konstante Quer-schnittsformen beim Übergang zu neuen Biegekurven kein neuer Werk-zeugsatz erforderlich ist. Diese Biegevariante ist dem Biegen mit Moment, Querkraft sowie überlagertem Druck zuzuordnen und kann wahlweise mit und ohne Dorn realisiert werden. Die herstellbaren bezogenen Biegeradien liegen zur Zeit bei R/D0 ≥ 2,5 und hängen von den Grenzen der kollisions-freien Relativbewegung der Werkzeuge ab.

Profil

beweglichesBiegewerkzeug

starresBiegewerkzeug

Biegedorn

Pusher

Abb. 3.39. Verfahrensprinzip und Ausführungsform HexaBend [78]


Die in Abb. 3.40. dargestellte Vorformvariante des Strangpressens mit gleichzeitigem mehrachsigen Krümmen ist eine Erweiterung des konventi-onellen Strangpressens von Hohl- und Vollprofilen. Kennzeichnend für diese Verfahrensvariante ist das Krümmen der Profile parallel zum Strang-pressen, so dass die Profile mit definiert gekrümmter Längsachse die ur-sprünglich nur zum Strangpressen eingesetzte Umformmaschine verlassen.

Die Krümmung wird durch Ablenkung des Werkstoffflusses beim Aus-tritt aus der Matrize erzielt, so dass mit Hilfe entsprechend gestalteter und kurz hinter dem Austritt aus der Matrize angebrachter Vorrichtungen (z.B. Führungsrollen) definiert einstellbare Krümmungen der Profillängsachse hergestellt werden können. Diese Krümmungsvariante nutzt das bessere Umformvermögen von profil-, rohr- oder stabförmigen Halbzeugwerkstof-fen im warmen Zustand.

Stempel Aufnehmer Block Strang

Führungs-

rolle

Matrize Matrizenhalter

Abb. 3.40. Verfahrensschema und Versuchseinrichtung für das Strangpressen und Krümmen nach [61]

3.3.2 Hauptformgebungsprozess


Basierend auf der VDI-Richtlinie 3146 [126] werden die verschiedenen Verfahrensvarianten des Innenhochdruck-Umformens anhand der während der Umformung wirksamen Spannungen klassifiziert. Unterschieden wird zwischen

− Zug-Druck-Umformung (DIN 8584), − Zug-Umformung (DIN 8585), − Biege-Umformung (DIN 8586) sowie − Schub-Umformung (DIN8587).


Zug-Druck-Umformung – Innenhochdruck-Aufweitstauchen Charakteristisch für das Innenhochdruck-Aufweitstauchen ist eine Überla-gerung von Zug- und Druckspannungen in der Umformzone. Diese Span-nungsüberlagerung resultiert zum einen aus der Einleitung von Zugspan-nungen infolge einer Erhöhung des Innendrucks, zum anderen aus der Initialisierung von Druckspannungen, die zum Beispiel durch das Nach-schieben des Werkstoffs mit Hilfe von Axialstempeln erzeugt werden. Dieses Stauchen bewirkt eine Druckspannungsüberlagerung in der Um-formzone, wodurch wesentlich höhere Umformgrade bzw. Formände-rungen als durch das Umformen unter Nutzung reiner Zugspannungen er-reicht werden können.

Beim Innenhochdruck-Aufweitstauchen kann zudem unterschieden wer-den, ob der Umformprozess in einem geschlossenen oder offenen Werk-zeug erfolgt. Für das Innenhochdruck-Aufweitstauchen im geschlossenen Gesenk (Abb. 3.41.) kommen hauptsächlich längsgeteilte Werkzeuge zur Anwendung, die bereits vor Beginn des Umformprozesses geschlossen werden. Während des Innendruckaufbaus wird mit Hilfe von Axialstem-peln der Werkstoff in die Umformzone nachgeschoben. Aufgrund dieser Wirkmechanismen ist das erreichbare Umformergebnis wesentlich von der Auslegung des tribologischen Systems im Nachschiebebereich zwischen Werkstück und Bauteil abhängig.

Unterwerkzeug

Oberwerkzeug

AxialstempelHalbzeug

Faxialpi

pi

Faxial

Abb. 3.41. Innenhochdruck-Aufweitstauchen im geschlossenen Gesenk nach [126] Faxial Axialkraft pi Innendruck

Im Gegensatz dazu beginnt der Umformprozess beim Innenhochdruck-Aufweitstauchen im offenen Gesenk (Abb. 3.42.) bereits bei geöffnetem Umformwerkzeug, wobei dieses normalerweise quergeteilt ist. Das Stau-chen bzw. Nachschieben des Werkstoffs in axialer Richtung bei gleichzei-tigem Innendruckaufbau erfolgt dabei durch die sich schließenden Werk-zeughälften. Zu Beginn des Umformvorganges kommt es somit zum freien


Aufweiten des Bauteils. Erst am Prozessende und bei geschlossenem Um-formwerkzeug wird der Kontakt zwischen Werkstück und formgebender Werkzeuggravur hergestellt.

Oberwerkzeug

Halbzeug

Unterwerkzeug

Faxial

Faxial

pi

Abb. 3.42. Innenhochdruck-Aufweitstauchen im offenen Gesenk nach [126] Faxial Axialkraft pi Innendruck

Zug-Umformung – Innenhochdruck-AufweitenBeim Innenhochdruck-Aufweiten (Abb. 3.43.) werden reine Zugspannun-gen, die durch den steigenden Innendruck initialisiert werden, zur Umfor-mung genutzt. Im Gegensatz zum Innenhochdruck-Aufweitstauchen findet während des Umformprozesses kein axiales Nachschieben des Werkstoffs statt. Die Aufweitung des Bauteils basiert somit allein auf der Reduzierung der Wanddicke des Ausgangshalbzeugs. Für die Durchführung der Um-formoperation sind auch hier entsprechende Axialkräfte erforderlich, damit mit Hilfe der Dichtstempel ein Abdichten des Ausgangshalbzeugs erfolgen und somit der Aufbau des Innendrucks gewährleistet werden kann.

Oberwerkzeug

Dichtstempel

Halbzeug

pi

Unterwerkzeug

Faxial

Abb. 3.43. Innenhochdruck-Aufweiten nach [126] Faxial Axialkraft pi Innendruck


Zug-Umformung – Innenhochdruck-Kalibrieren Durch das Innenhochdruck-Kalibrieren (Abb. 3.44.) werden bereits vorge-formte Bauteile vollständig ausgeformt. So können zum Beispiel mit Hilfe entsprechender Innendrücke kleine Bauteilradien realisiert werden. Der dabei zu verwendende Kalibrierdruck wird durch die auf die Ausgangs-wanddicke bezogenen herzustellenden Bauteilradien bestimmt.

Da beim Kalibrieren kein Werkstoff durch Nachschieben in die Um-formzone transportiert wird, sind für den Kalibrierprozess ausschließlich Zugspannungen verantwortlich, wodurch die Umformung ebenfalls aus-schließlich auf der Reduzierung der Ausgangswanddicke beruht. Auch in diesem Fall ist ein Abdichten mit Hilfe von Axialkräften, die durch die Dichtstempel aufgebracht werden, erforderlich.

Innenhochdruck-Kalibrierprozesse werden auch zur Gewährleistung und Einhaltung enger Maßtoleranzen eingesetzt, um zum Beispiel durch Aus-reckung des Werkstoffs die Genauigkeitsanforderungen von stranggepress-ten Profilen zu gewährleisten.

Oberwerkzeug

Dichtstempel

Vorform

pi

Unterwerkzeug

Faxial

Abb. 3.44. Innenhochdruck-Kalibrieren Faxial Axialkraft pi Innendruck

Biegeumformung – Innenhochdruck-Biegen Ausgangspunkt beim Innenhochdruck-Biegen (Abb. 3.45.) ist die Erzeu-gung eines Innendrucks im umzuformenden Ausgangshalbzeug (Rohr, Profil), während das Werkzeug noch geöffnet ist. Die Biegeumformung er-folgt durch das Schließen des Werkzeugs; der Druck wirkt als innerer Stützdruck und vermeidet so die Bildung von Falten, die im nachfolgenden Umformvorgang nicht mehr beseitigt werden könnten. Während eine Werkzeughälfte dabei die Funktion des Biegestempels übernimmt, reprä-sentiert die andere das Biegegesenk. Innenhochdruck-Biegeoperationenwerden dann eingesetzt, wenn auf konventionelle Biegeoperationen ver-zichtet werden soll oder wenn aufgrund der Bauteilkomplexität ein Vor-biegen nicht möglich ist – meist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen.


Oberwerkzeug

Dichtstempel

Halbzeug

Unterwerkzeug

Fschließ

pi

Abb. 3.45. Innenhochdruck-Biegen nach [126] Fschließ Schließkraft pi Innendruck

Schub-Umformung – Innenhochdruck-Durchsetzen Im Gegensatz zum Innenhochdruck-Biegen wird beim Innenhochdruck-Durchsetzen (Abb. 3.46.) in einem bereits geschlossenen Werkzeug umge-formt. Dabei wird im Bauteil wiederum ein Innendruck, der ebenfalls als innerer Stützdruck fungiert, aufgebaut. Die Formgebung wird durch einen Stempel realisiert, der das Bauteil gegen den inneren Druck umformt, wo-durch auch hier eine Faltenbildung verhindert werden soll.

Das Werkzeug kann so gestaltet sein, dass während des Durchsetzens auf der gegenüberliegenden Seite eine dem Eindringen des Stempels ent-sprechende Aufweitung erzeugt wird. Diese kann durch ein axiales Nach-schieben des Werkstoffs unterstützt werden. Durchsetzoperationen können ebenfalls zur Endformgebung bereits vorgeformter, für die weitere Um-formung als Werkstoffreserve dienender Bauteilbereiche dienen.

Fdurchsetz

Stülpstempel

Vorform

Durchsetzstempel

Oberwerkzeug

Dichtstempel

Halbzeug

Gegenstempel

Fdurchsetz

Fgegen

pipi

Unterwerkzeug

Abb. 3.46. Innenhochdruck-Durchsetzen sowohl zweiseitig als auch im vorge-formten T-Stück (lokales Stülpziehen) Fdurchsetz Durchsetzkraft

Fgegen Gegenhaltekraft pi Innendruck


Außenhochdruck-Umformung von Rohren und Profilen Auf dem Gebiet der Rohr- bzw. Profilumformung ist es auch möglich, das umzuformende Halbzeug von außen mit Druck zu beaufschlagen. Diese Verfahrensvariante wird als Außenhochdruck-Umformung (AHU) von Rohren und Profilen bezeichnet [162]. Dabei wirkt der formgebende Um-form-(Außen-)druck auf die äußere Mantelfläche des Ausgangshalbzeugs. Dies kann sowohl die gesamte Fläche als auch nur Teilgebiete betreffen. Wie beim Innenhochdruck-Umformen von Rohren und Profilen ist auch hier ein Nachschieben von Werkstoff in die Umformzone, z.B. mit Hilfe von Axialzylindern, möglich.

Eine technologische Variante des Außenhochdruck-Umformens von dünnwandigen Rohren bzw. Profilen beruht auf der Anwendung von form-speichernden Innendornen, mit deren Hilfe definierte Rohr-Innenkonturen erzeugt werden können (s. Abb. 3.47.).

Dorn

Rohr

pa

Abb. 3.47. Verfahrensprinzip des Außenhochdruck-Umformens mit Innendorn pa Außendruck

Werden im Gegensatz dazu keine Innendorne verwendet und erfolgt die innere Abstützung der Mantelfläche mit Hilfe entsprechender Ring- bzw. Spiralstrukturen, entstehen bei Beaufschlagung mit einem entsprechenden externen Druck spontan und selbstorganisierend mehrdimensionale Recht-eckstrukturen. Diese so genannten Wölbstrukturen stellen einen irreversib-len Gleichgewichtszustand dar. Das Prinzip dieses Wölbstrukturierungs-prozesses wird in Abb. 3.48. veranschaulicht [62, 74, 146].

Charakteristisch für diesen Strukturierungsvorgang ist, dass sich die La-ge der Wölbstrukturen von Strukturband zu Strukturband jeweils um die halbe Strukturweite unterscheidet. Die Anzahl der dabei entstehenden Strukturen am Umfang wird durch

− den Werkstoff, − die Wanddicke, − den Rohrradius bzw. -durchmesser sowie − die Stützlänge (Ringabstand)


bestimmt. Im Vergleich zu Glattrohren zeichnen sich diese Strukturroh-re durch positive Steifigkeits-, teilweise Festigkeitseigenschaften aus, was sich z.B. in einer deutlich höheren Biegesteifigkeit widerspiegelt. Die Einsatzwanddicke des Rohres kann dadurch ohne Beeinträchtigungen der Bauteilfunktion deutlich reduziert werden.

l

r

pa

Stützkörper Zylinder mit Stützkörper Erzeugung der Wölbstrukturen

Abb. 3.48. Erzeugung von Wölbstrukturen nach [171] l Stützlänge pa Außendruck r Rohrradius

3.3.2.2 Prozessbeschreibung

Am Beispiel der Herstellung eines T-Stücks soll der Ablauf eines IHU-Prozesses beschrieben werden. Um mit Hilfe dieses Verfahrens Bauteil-geometrien erzeugen zu können, ist ein geteiltes Umformwerkzeug mit ei-ner entsprechenden Gravur erforderlich, wobei die untere Werkzeughälfte im betrachteten Fall auf dem Pressentisch angeordnet und das Werkzeug-oberteil am Stößel der IHU-Presse befestigt ist.

Einlegen und Befüllen Nach dem Einlegen eines rohrförmigen Ausgangshalbzeugs in das Werk-zeugunterteil werden die beiden Werkzeughälften durch Abwärtsbewe-gung des Pressenstößels geschlossen (Abb. 3.49.).

Gegenhaltestempel

Werkzeugunterteil

Ausgangshalbzeug

Axialstempel

Abb. 3.49. IHU-Werkzeug mit Ausgangshalbzeug (Draufsicht Unterwerkzeug)


Die anschließende Abdichtung des Ausgangshalbzeugs erfolgt mit Hilfe von Axialstempeln, die durch entsprechende hydraulische Zylinder ange-steuert werden. Um die erforderliche Dichtheit zu gewährleisten, besitzen diese Stempel oft eine spezielle Kopfgeometrie. Über Bohrungen, die ent-weder in einem oder auch in beiden Axialstempeln vorhanden sind, wird das rohrförmige Ausgangshalbzeug mit dem Druckmedium befüllt (Abb. 3.50.). Damit eingeschlossene Luft aus dem Bauteil entweichen kann, wird während dieser Prozessphase i.d.R. ein Spalt zwischen dem Bauteil und einem der Dichtstempel belassen.

FaxialFaxial

Abb. 3.50. Befüllen des Ausgangshalbzeugs Faxial Axialkraft

Umformen und Kalibrieren Ist das Ausgangshalbzeug vollständig befüllt, beginnt der eigentliche Um-formprozess. Durch den bzw. die in der IHU-Presse integrierten Druck-übersetzer wird der für die Umformung erforderliche Innendruck pi bereit-gestellt. Mit Hilfe der Axialzylinder wird parallel zum Ansteigen des Innendrucks der Werkstoff nachgeschoben, was häufig mit einem Stau-chen der Endbereiche des Halbzeugs verbunden ist (Abb. 3.51.). Dies führt zu einer Überlagerung von Zug- und Druckspannungen in der Umformzone. Auch hier können im Vergleich zum Umformen unter Nutzung reiner Zug-spannungen wesentlich höhere Umformgrade bzw. Formänderungen reali-siert werden. Mit zunehmendem Innendruck beginnt der Werkstoff zu flie-ßen, der Bauteildom wird ausgeformt. Im betrachteten Beispiel begrenzt ein Gegenhalterstempel, der durch die zunehmende Ausformung des Bau-teils verdrängt wird, ein Ausbeulen des Domes. Dadurch wird in diesem Bereich einer übermäßigen Wanddickenreduzierung entgegengewirkt.

Während der in die Umformzone geförderte Werkstoff im Bereich des Formelements für die Ausformung des Domes genutzt wird, kommt es auf der gegenüberliegenden Seite des Bauteils zu einer Wandaufdickung. Im Verlauf des Umformvorganges legt sich der Werkstoff unter Wirkung des steigenden Innendrucks immer mehr an die Werkzeuggravur an. Um letzt-endlich eine vollständige Ausformung des T-Stücks zu erreichen, wird in einer letzten Phase der Umformung die Bauteilgeometrie kalibriert (vgl. Abb. 3.52.). Dabei wird durch die Axialstempel kein Werkstoff mehr in


die Umformzone transportiert; ein Verdrängen des Gegenstempels ist nicht mehr möglich. Mit dem weiteren Anstieg des Innendrucks kann das Werk-stück die Werkzeuggravur vollständig ausfüllen, was allerdings eine Wanddickenreduzierung zur Folge hat.

Fgegen

pi FaxialFaxial Faxial pi

Fgegen

Abb. 3.51. Umformvorgang Faxial Axialkraft Fgegen Gegenkraft pi Innendruck

Fgegen

pi

Abb. 3.52. Kalibrieren Fgegen Gegenkraft pi Innendruck

Werkstückentnahme Nach Abschluss des Umformvorganges werden die Axialzylinder in ihre Ausgangspositionen zurückgefahren, der Innendruck im T-Stück wird ab-gebaut (Abb. 3.53.). Danach kann das Werkzeug mit Hilfe des Pressenstö-ßels geöffnet und das fertig umgeformte Werkstück entnommen werden.

T-Stück

Abb. 3.53. IHU-Werkzeug mit umgeformtem T-Stück


3.3.2.3 Definition der Prozessparameter

Ob es während eines Hydro-Umformprozesses zur Ausbildung typischer Versagensfälle wie Bersten, Falten oder Knicken kommt, hängt entschei-dend von der Auswahl der Prozessparameter (z.B. Innendruck pi, Axial-kraft Faxial) ab. Diese Parameter müssen innerhalb des Prozessfensters lie-gen, damit eine Ausformung der gewünschten finalen Bauteilgeometrie stattfinden kann.

Mit Hilfe von Arbeitsdiagrammen können die Auswirkungen unabhän-giger, sich jedoch gegenseitig beeinflussender Prozessparameter in einem Koordinatensystem dargestellt werden. Durch Kennzeichnung der Berei-che, in denen die typischen Versagensfälle auftreten, lassen sich die ent-sprechenden Gutteil- bzw. Prozessfenster darstellen. In Abb. 3.54. ist ein schematisches Arbeitsdiagramm für einen Innenhochdruck-Umformpro-zess (z.B. Aufweitstauchen) dargestellt [126].

Innendruck pi

Ax

ialk

ra

ft F

ax

ial

Knicken

elast.

Formänd.

Falten

Bersten

Leckage

Prozessfenster

Abb. 3.54. Arbeitsdiagramm für einen Innenhochdruck-Umformprozess nach [126]

Die aus dem wirkenden Innendruck pi und den eingebrachten Axialkräf-ten Faxial resultierenden Spannungen müssen die Fließbedingung des Werk-stoffs erfüllen. Der wirksame Innendruck darf dabei nicht zu Einschürun-gen oder zum Bersten führen. Der für die Umformung des Halbzeugs maximal anwendbare Innendruck pi zul lässt sich unter Nutzung der Mem-brangleichung [29, 30, 177] in erster Näherung berechnen:

00

0

22

sDRsp m

zuli ⋅−⋅⋅≈ (3.1)

D0 Rohrausgangsdurchmesser pi zul zulässiger Innendruck Rm Zugfestigkeit s0 Ausgangswanddicke


Da beim Kalibrieren der finalen Bauteilform das Halbzeug weitestge-hend an der Werkzeuggravur zur Anlage gebracht wird und somit ein Bersten des Bauteils in diesen Bereichen nicht mehr möglich ist, kann der erforderliche Kalibrierdruck pi max größer als der für die Umformung ange-wandte Druck gewählt werden. So lässt sich pi max nach folgender Bezie-hung näherungsweise ermitteln [177]:

zulii pp ⋅≈ 5,1max (3.2)

pi max Kalibrierdruck

Der Kalibrierdruck pi max ist eine Funktion

− des kleinsten zu realisierenden Bauteilradius rmin,− der Wanddicke des Halbzeugs s0 sowie − der mechanischen Kennwerte des umzuformenden Werkstoffs (Um-

formfestigkeit kf).

Abbildung 3.55. zeigt die Abhängigkeit des auf die Umformfestigkeit kfbezogenen maximalen Kalibrierdrucks pi max vom Verhältnis des kleinsten auszuformenden Bauteilradius rmin zur Wanddicke s0 des Ausgangshalb-zeugs [42].

pim

ax

/ k

f

rmin

/ s0

2

3

1

0

43210 5

Abb. 3.55. Auf die Umformfestigkeit kf bezogener Kalibrierdruck pi max in Abhän-gigkeit von rmin/s0 nach [42] kf Umformfestigkeit

pi max Kalibrierdruck rmin kleinster Innenradius des Bauteils s0 Ausgangswanddicke

Die mit Hilfe der Axialstempel eingebrachten Axialkräfte Faxial müssen eine sichere Abdichtung des Halbzeugs garantieren. Die erforderliche Dichtkraft Fdicht wird nach folgender Formel berechnet:


stirnidicht ApF ⋅= (3.3)

Astirn Stirnfläche des Axialstempels Fdicht Dichtkraft pi Innendruck

Wird während eines Prozesses Werkstoff in die Umformzone nachge-schoben, muss durch die Axialstempel zusätzlich der Reibungswiderstand in der Trennfuge zwischen Werkzeug und Halbzeug überwunden werden. Dieser Kraftanteil wird wie folgt beschrieben:

reibreib AF ⋅⋅= σµ (3.4)

Areib wirksame Kontaktfläche Freib Reibkraft µ Reibwert

Normalspannung

Weiterhin bewirken die Axialkräfte in Verbindung mit dem wirkenden Innendruck die plastische Deformation des rohrförmigen Ausgangsprofils. Die Größe dieses Kraftanteils Fumform wird durch das Verfahrensprinzip be-stimmt. Die aufzubringende Axialkraft Faxial ergibt sich somit nach Abb. 3.56. zu jedem Zeitpunkt des IHU-Prozesses aus den Anteilen [42]

umformreibdichtaxial FFFF ++= . (3.5)

Die kritische Knicklast darf jedoch nicht überschritten werden, um ein Ausknicken des Halbzeugs zu vermeiden.

Faxial

IHU-Werkzeug

Halbzeug

Axialstempel

Fumform

Fdicht

Freib

Abb. 3.56. Bestandteile der Axialkraft Faxial beim Innenhochdruck-Umformen

Bei der Erzeugung von Formelementen (s. Abb. 3.57.) wird i.d.R. ein Gegenhaltestempel eingesetzt, um einer übermäßigen Wandausdünnung in diesem Bereich entgegenzuwirken. Da dieser mit zunehmender Ausfor-mung des Formelements verdrängt werden muss, ist die Größe der Gegen-haltekraft Fgegen vor allem auf den wirkenden Innendruck pi abzustimmen.


FgegenAusdünnung

pipi

Abb. 3.57. Auswirkung des Gegenhalters auf die Wanddickenverteilung im Form-element

Abbildung 3.58. veranschaulicht am Beispiel eines T-Stücks das Zu-sammenwirken von Innendruckaufbau, Nachschieben und Gegenhalten. Die Kurvenverläufe wurden während eines Tryout ermittelt.

Füllen Umformen Kalibrieren Entlasten

Innendruck pi

Axialstempelweg saxial

Gegenhaltestempelweg sgegen

Dru

ck

, S

tem

pe

lwe

g

Zeit t

Abb. 3.58. Zeitverlauf verschiedener Parameter beim IHU-Prozess

Um eine Ausformung der geforderten Bauteilgeometrie zu gewährleis-ten, muss während des IHU-Prozesses das Öffnen des Werkzeugs verhin-dert werden. Mit Hilfe der Umformanlage wird eine entsprechende Schließkraft Fschließ aufgebracht, deren Größe hauptsächlich durch den ma-ximal wirkenden Innendruck pi max (Kalibrierdruck) und die projizierte Bauteilfläche Aproj bestimmt wird. Die erforderliche Schließkraft lässt sich mit Hilfe der folgenden Gleichung ermitteln:

projischließ ApF ⋅= max (3.6)

Aproj projizierte Fläche Fschließ Schließkraft pi max maximaler Innendruck


3.3.2.4 Typische Prozesslösungen

Anhand ausgewählter Beispiele werden im folgenden Abschnitt Prozesslö-sungen zur Realisierung von IHU-Bauteilen vorgestellt und diskutiert.

AbgasteilDie Fertigung von Abgassystemelementen für Kraftfahrzeuge ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der Innenhochdruck-Umformung in der in-dustriellen Praxis. Mit der Herstellung von Doppelteilen kann die Produk-tivität dieses Verfahrens noch erhöht werden. Die Festlegung der Teilungs- bzw. Symmetrieebene derartiger Bauteile wird u.a. durch folgende Kritrien bestimmt:

− Bauteilgeometrie − minimaler Halbzeugeinsatz und maximale Werkstoffausnutzung − Kraftwirkungen im Umformprozess − Gewährleistung eines optimalen Werkstoffflusses

Insbesondere die Ausformbarkeit der bei diesen Bauteilen typischen Nebenformelemente unterstreicht den Handlungsbedarf für Variantenun-tersuchungen mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen. So wurde am Beispiel eines Abgasteils der Lageeinfluss der Symmetrieebene untersucht [52], die gleichzeitig die Trennlinie für das Vereinzeln der Bauteile dar-stellt. Abbildung 3.59. zeigt die dabei untersuchte Variante I.

Thickness [mm]

1,3

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

Nachschieben: 55 mm

Symmetrieebene

Abb. 3.59. Lage der Symmetrieebene (Variante I)

Das Simulationsergebnis zeigte, dass der Dom nicht ausgeformt werden konnte. Trotz Nachschiebens war es nicht möglich, der Umformzone eine ausreichende Werkstoffmenge zuzuführen. In Variante II wurde deshalb die Lage der Symmetrieebene geändert (Abb. 3.60.).


Thickness [mm]

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

Symmetrieebene

Nachschieben: 50 mm

Abb. 3.60. Lage der Symmetrieebene (Variante II)

Diese Maßnahme führte zu einem deutlich verbesserten Werkstofffluss. Die Wanddickenunterschiede im Bauteil konnten reduziert, der Nach-schiebeweg verkürzt und letztlich die Ausformung des Dombereichs ge-währleistet werden. Die Simulationsergebnisse wurden anschließend im Realwerkzeug überzeugend bestätigt. Bereits das erste Bauteil konnte als Gutteil abgeformt werden (Abb. 3.61.).

Biegeteil IHU-Teil Fertigteil

Abb. 3.61. Stadienfolge zur Realisierung des Realbauteils (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)


Verteilerbalken Die Herstellung von Verbindungs- bzw. Kupplungsstücken für Heizungs- und Sanitäranlagen basiert gegenwärtig vor allem auf der Verwendung von Strangpressprofilen. Durch mechanische Bearbeitungsprozesse werden die Primär- und Sekundäranschlüsse dieser Verteilerbalken hergestellt (Abb. 3.62.).

Sekundäranschluss

Primäranschluss

Strangpressprofil

Abb. 3.62. Verteilerbalken konventioneller Bauart

Die grundlegende Abkehr vom bisherigen Design, der Einsatz dünn-wandiger, rohrförmiger Halbzeuge sowie die Anwendung des Innenhoch-druck-Umformens ermöglichen die Senkung des Werkstoffeinsatzes und der Fertigungszeiten [172].

Zum Nachweis der umformtechnischen Machbarkeit eines solchen neu-artigen Verteilerbalkens wurden Simulationen mit dem FE-Code PAM-STAMP durchgeführt, wobei Ausgangshalbzeuge aus Edelstahl und Mes-sing betrachtet wurden. Der Druckverlauf ist in Abb. 3.63. dargestellt.

Dru

ck

in

ba

r

Zeit in s

3.000

2.000

1.000

0 3 6 9 12 150

Abb. 3.63. Kurve für den Druckaufbau als Funktion der Zeit


Im Bereich pi = 0...500 bar steigt die Druckkurve flach an, um eine gute Abdichtung des Halbzeugs zu ermöglichen. Danach erhöht sich die Ge-schwindigkeit des Druckaufbaus. In dieser Phase wird der Halbzeugdurch-messer vergrößert und im Werkzeug zur Anlage gebracht. Der geringere Druckanstieg im Bereich pi = 1.600...2.000 bar soll zu einer vollständigen Ausformung des Bauteils beitragen. Die Kalibrierung der Verteilerbalken-geometrie erfolgt im Bereich pi = 2.000...3.000 bar. In Abb. 3.64. ist die Wanddickenverteilung nach der Umformung eines Edelstahls X5CrNi18-10 (1.4301) dargestellt.

xy

stärksteAusdünnung

z

0,005

0,0415

0,078

0,1145

0,151

0,1875

0,224

0,2605

0,297

0,3335

0,37

Thinning [.]

Schnitt A-A

A A

Abb. 3.64. Wanddickenverteilung nach der Umformung

Abbildung 3.65. zeigt einen Verteilerbalken, der unter Einstellung der in der Simulation ermittelten Prozessparameter umgeformt wurde.

Formfelder für

Sekundäranschluss

Flansch

Hohlprofil

Abb. 3.65. Verteilerbalken


In den Formgebungsprozess sind zusätzliche Operationen integrierbar. So kann die gewünschte Flanschkontur mit Hilfe der Axialstempel und ei-nes entsprechend ausgelegten Umformwerkzeugs erzeugt werden. Die Herstellung der Öffnungen für die Sekundäranschlüsse ist mit Hilfe inte-grierter Lochoperationen möglich.

Gebaute IHU-Nockenwelle Zur Herstellung von Nockenwellen kamen in der Vergangenheit massive, vorwiegend geschmiedete oder gegossene Ausgangswellen zum Einsatz, die spanend fertigbearbeitet wurden. Die Abkehr vom früheren Nocken-wellendesign, die Verwendung rohrförmiger Halbzeuge sowie der Einsatz separat gefertigter Nocken führten zu gebauten Nockenwellen, was deutli-che Einsparungen hinsichtlich des erforderlichen Werkstoffeinsatzes be-wirkte. Mit Anwendung der Innenhochdruck-Umformtechnologie können weitere Massereduktionen erreicht werden.

Nachfolgend wird der Ablauf des Innenhochdruck-Umformprozesses zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle beschrieben [51, 172].

Nach der Vorbereitung des rohrförmigen Ausgangshalbzeugs durch Sä-gen und Entgraten wird eine festgelegte Anzahl von Nocken auf das Rohr-stück gefädelt und im Umformwerkzeug mit Hilfe von Nockennestern po-sitioniert. Das Werkzeug wird anschließend geschlossen. Es erfolgen das Andocken der beiden Axialstempel sowie das Abdichten des Ausgangs-halbzeugs. Die Befüllung des Ausgangshalbzeugs führt zum Druckaufbau. Aufgrund des relativ geringen Innendrucks zu Beginn der Umformoperati-on wird weiterhin Werkstoff nachgeschoben und damit eine Aufdickung des Rohrendbereichs ermöglicht.

Mit steigendem Innendruck wird die Werkzeuggravur zunehmend aus-gefüllt, wodurch die Nockensitze sowie die Verbindungen zwischen No-cken und rohrförmigem Halbzeug ausgebildet werden (s.a. Abschn. 3.5.3.3). Abschließend wird bei maximal möglichem Innendruck pi max die finale Bauteilgeometrie kalibriert (Abb. 3.66.).

Abb. 3.66. Gebaute IHU-Nockenwelle


Leichtbau-Nockenwelle Eine weitere Entwicklungsstufe auf dem Gebiet der Leichtbau-Nocken-welle ist die Substitution der massiven Nocken durch im IHU-Prozess her-gestellte Nocken, die nachträglich mit verschleißfesten Keramik- oder Hartmetallschichten versehen wurden. Die umformtechnische Herausfor-derung besteht dabei vor allem in der Ausformung der Nockenkonturen.

Zur Machbarkeitsprüfung dieses Nockenwellenkonzepts wurden Finite-Elemente-Simulationen (PAM-STAMP) einer praxisrelevanten Versuchs-werkstückgeometrie durchgeführt (Abb. 3.67.).

Thickness [mm]

0,905

1,08

1,26

1,44

1,61

1,79

1,97

2,15

2,32

Abb. 3.67. Simulation zur Bewertung der Machbarkeit der Leichtbau-Nockenwelle

Die Ausgangswanddicke des Rohres, der Rohrwerkstoff selbst sowie die Nockengeometrie repräsentierten wesentliche, sich unmittelbar auf das Umformergebnis auswirkende Einflussfaktoren. Abbildung 3.68. zeigt die technische Realisierung dieses Nockenwellenkonzepts.

Abb. 3.68. Versuchswerkstück Leichtbau-Nockenwelle

IHU-StrukturbauteilBei Space-Frame-Konzepten spielt insbesondere die Frage der Verbindung einzelner Komponenten eine große Rolle. Die Nutzung von Gussknoten ist dabei eine Möglichkeit, die einzelnen Profile miteinander zu fügen. Die Substitution dieser gegossenen Bauteile durch IHU-Komponenten kann zu einer weiteren Massereduktion und Kostensenkung beitragen. Nachfolgend


wird die Stadienfolge zur Herstellung eines Elements derartiger Struktur-bauteile erläutert.

In einer ersten Fertigungsstufe wird unter axialem Nachschieben und aktivem Gegenhalten ein T-Stück ausgeformt. In der zweiten Fertigungs-stufe erfolgt durch das Schließen der Werkzeughälften eine mechanische Deformation ohne Innendruck. Danach wird durch Kalibrieren ein voll-ständiges Anlegen an die Werkzeugoberfläche erreicht, der Dom wird auf-geweitet. Die letzte Fertigungsstufe ist das Stülpen gegen geringen Innen-druck. Diese Stufenfolge wurde mit Hilfe der Simulation so optimiert, dass Realbauteile hergestellt werden konnten. In Abb. 3.69. sind die Stadienfol-gen sowohl für das Simulations- als auch für das Realbauteil dargestellt.

Abb. 3.69. Vergleich Simulation (links) und Realprozess (rechts) eines Struktur-bauteils

3.4 Hydro-Blechumformung

3.4.1 Vorformen

Bei bestimmten Bauteilen ist es erforderlich, die als Halbzeug eingesetzten Einzelplatinen, Doppelplatinen oder auch gefügten Platinen vorzuformen. Ziel ist es, die einzubringende Formänderung so aufzuteilen, dass im Hauptumformvorgang Versagensfälle vermieden und maximale Ge-brauchswerteigenschaften erreicht werden. Die vorgeformten Platinen

3.4 Hydro-Blechumformung 91

müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So muss berücksichtigt wer-den, dass ein Abdichten gegenüber dem Innendruck gewährleistet wird, was beispielsweise durch einen Flansch an der Formplatine erfolgen kann.

3.4.1.1 Einzelplatinen

Als Vorformstufe für die Umformung einer Einzelplatine mit flüssigem Wirkmedium ist das aktive hydromechanische Tiefziehen (aktives Hydro-mec) bekannt. Hierbei wird die umzuformende Platine entgegen der ge-wünschten Umformrichtung vorgeformt, um sie anschließend in die ge-wünschte Umformrichtung zu stülpen (s. Abb. 3.85. in Abschn. 3.4.2.4.). Diese Vorgehensweise dient der Erhöhung der Verfestigung. Bei sehr fla-chen Bauteilen (z.B. Motorhaube, Dach) ist die Formänderung im Mitten-bereich des Bauteils so gering, dass es zu einer Instabilität der Form durch Zurückspringen der umgeformten Platine in die Ausgangsform kommen kann. In diesem Fall wird nicht in allen Bereichen eine Plastifizierung des umzuformenden Bauteils erreicht, so dass die bleibenden Formänderungen nicht zur gewünschten Endform mit akzeptabler Beulsteifigkeit führen. Um diesem Effekt vorzubeugen, ist es notwendig, über die gesamte Bau-teilfläche eine genügend große plastische Umformung zu gewährleisten. Durch eine Umformung entgegen der eigentlichen Umformrichtung wird die Platine bereits einer Formänderung unterzogen, die beim Stülpen in die gewünschte Umformrichtung so groß wird, dass dadurch ein formstabile-res Bauteil entsteht.

Ein zweiter Effekt betrifft die Verteilung der Blechdicken im umge-formten Teil. Beim Vorformen wird die größte Ausdünnung in der Blech-mitte erzielt, beim Stülpen und Kalibrieren dagegen in den Randbereichen. Durch das Vorformen kann meist eine kritische Ausdünnung in den Rand-bereichen vermieden werden.

Das Vorformen kann beispielsweise in einem konventionellen Tief-ziehwerkzeug oder auch in einem Werkzeug für das hydraulische Tiefzie-hen erfolgen. Voraussetzung ist die Möglichkeit der Druckbeaufschlagung des im Wasserkasten3 befindlichen flüssigen Druckmediums. Bei Stempel in Ausgangsposition wird der Flanschbereich der Platine auf dem Rand der Matrize mit einer für den Werkstofffluss erforderlichen Niederhaltekraft beaufschlagt. Anschließend wird der Druck durch Einströmen von flüssi-gem Wirkmedium aufgebaut und so eine Wölbung der Platine in den freien Raum zwischen Ober- und Unterwerkzeug erzeugt. Durch diese freie Aus-formung entsteht die o. g. stärkere Formänderung in Bauteilmitte. Durch

3 mit flüssigem Wirkmedium gefülltes Unterwerkzeug, das die Funktion einer

formvariablen Matrize übernimmt


ein anschließendes Verringern des Flüssigkeitsdrucks im Wasserkasten und das Eintauchen des Formstempels wird die Platine an den Stempel ge-presst und durch die Bewegung des Formstempels in die endgültige Um-formrichtung gezogen. Dieser zweite Umformvorgang ist mit dem vom hydraulischen Tiefziehen bekannten Prozess identisch. Das durch diese Prozesskombination hergestellte Umformteil besitzt trotz geringer Ziehtie-fe eine hohe Form- und Maßgenauigkeit sowie Beulsteifigkeit. Um hohe Ziehtiefen zu erreichen, muss möglichst viel Werkstoff aus dem Randbe-reich in die Umformzone fließen. Hinderlich für den gewünschten Werk-stofffluss ist der hohe Pressdruck der Werkzeugdichtfläche auf den Flanschbereich der umzuformenden Platine. Dieser ist aber notwendig, um eine ausreichende Dichtigkeit zu garantieren, die ihrerseits ein Anwachsen des Innendrucks erlaubt. Aus dieser Problematik ist eine Kombination des konventionellen Tiefziehens mit dem hydraulischen Tiefen entstanden (s. Abb. 3.70.).

Flansch

Dichtung

Stempel

Niederhalter

Ziehring

Wasserkasten

FNiederhalter FNiederhalter

FStempel

FNiederhalter

FStempel

pi

FNiederhalter

Abb. 3.70. Verfahrensablauf der Verfahrenskombination mechanisches Tiefziehen / hydraulisches Tiefen nach [163]

Bei diesem Prozess wird dem hydraulischen Tiefen ein konventioneller Tiefziehvorgang vorangestellt (s.a. Hauptabschn. 3.2.4). Während dieses Vorganges tritt eine große Reibung der umzuformenden Platine am Stem-pel auf. Durch die Abwärtsbewegung des Stempels wird entsprechend viel Werkstoff aus dem Randbereich in die Umformzone mitgeführt. Am Stempelboden bleibt der Werkstoff nahezu unbelastet. Bei diesem konven-tionellen Tiefziehvorgang erfolgt keine Berührung des Stempels und der verformten Platine mit dem Matrizengrund, so dass ein Raum zwischen Stempel und Matrizenboden bleibt. Durch einen im Stempel befindlichen Kanal wird flüssiges Wirkmedium auf die den Stempel umschließende Pla-tine geleitet. Der entstehende Druck, der durch permanentes Nachfördern von Flüssigkeit gesteuert werden kann, löst die Platine von der Oberfläche des Stempels ab und drückt sie auf den Grund der Matrize. Dieser Vorgang wird i. Allg. so gestaltet, dass ein Nachfließen von Werkstoff aus dem


Flanschbereich der Platine nicht notwendig ist. Dadurch kann die Schließ-kraft so weit erhöht werden, dass ein maximaler Innendruck aufgebaut und somit die Umformung auch kleinerer Formelemente ermöglicht werden kann. Die erforderliche Umformung geht hierbei zu Lasten der Wanddicke des Umformteils.

Mit dieser Verfahrenskombination lassen sich Ziehtiefen erreichen, die beim konventionellen bzw. hydraulischen Tiefziehen und beim Innenhoch-druck-Blechumformen nicht möglich sind.

3.4.1.2 Doppelplatinen

Bei der Doppelplatinen-Umformung sind die Möglichkeiten der Vorfor-mung gegenüber der Einzelplatinen-Umformung eingeschränkt. Dies be-ruht auf der Schwierigkeit, ein formgebendes starres Werkzeug zwischen zwei aufeinanderliegende Platinen zu bringen. Eine Vorformung mittels Stempel oder Ähnlichem aus dem Inneren der Doppelplatine ist nicht mög-lich. Eine Vorformung von außen kann aber nur für eine der beiden Plati-nen in die gewünschte Umformrichtung geschehen. Zu diesem Zweck wird in eine der beiden im Werkzeug befindlichen Matrizen ein Stempel integ-riert. Nach dem Einlegen der Doppelplatine in das Werkzeug wird, wie bei einem konventionellen Tiefziehwerkzeug, der Niederhalter auf den Flanschbereich der Doppelplatine aufgesetzt. Anschließend zieht der Stempel bei seinem Eintauchen in die formgebende Matrize die Doppel-platine in diese Matrize. Für das auf der Gegenseite des Stempels liegende Blech der Doppelplatine erfolgt die Vorformung entsprechend der späteren Umformrichtung. Das den Stempel berührende Blech der Doppelplatine wird entgegen seiner späteren Umformrichtung vorgeformt. Durch das Zu-rückfahren des Stempels auf die gewünschte Ziehtiefe des an der Stempel-seite liegenden Bleches der Doppelplatine entsteht ein Raum, der durch das Druckmedium, das nun in das Innere der Doppelplatine einfließen kann, ausgefüllt wird. Dadurch kommt es zum Wechsel (Stülpen) der Um-formrichtung für eines der beiden Bleche der Doppelplatine (s. Abb. 3.71.). Das gestülpte Blech erfährt dabei eine größere Beanspruchung als das schon durch Vorformung in die richtige Richtung gezogene Blech.

Wie bei der Vorformung von Einzelplatinen wird auch bei der Vorfor-mung von Doppelplatinen ein erhöhter Werkstofffluss aus dem Flanschbe-reich in die Umformzone erreicht. Dieser kann aber für eines der beiden Bleche der Doppelplatine nur mit dem Nachteil höherer Werkstoffbean-spruchung erfolgen.


Doppelplatine

Stempel

Niederhalter

Ziehring

Werkzeugunterteil


FStempel

Andocksystem


FStempel

Abb. 3.71. Verfahrensablauf des Innenhochdruck-Blechumformens einer Doppel-platine, gekennzeichnet durch ein Vorformen beider Platinen in die gleiche Rich-tung nach [163]

3.4.1.3 Gefügte Platinen

Bei komplexen Anforderungen an das fertige Bauteil können Platinen für den Innenhochdruck-Blechumformprozess (IHB-Prozess) aus zwei oder mehreren Teilen bestehen. Beim Fügen derartig komplexer Strukturen werden zwei Prinzipien unterschieden:

1. Stirnseitiges Anordnen der Zuschnitte An geradlinigen oder 2D-Konturen werden die entsprechend zuge-schnittenen Halbzeuge verschweißt. Als Halbzeug wird i.d.R. Flachma-terial verwendet. Neue Entwicklungen erlauben auch die Fertigung von Rohren. Dazu wird Flachmaterial stirnseitig zusammengeschweißt, ge-bogen (gerollt) und anschließend längsnahtgeschweißt. Auch konische Rohre sind nach dieser Technologie realisierbar. Die Strukturen werden unterschiedlich benannt: tailored welded blanks / tailored welded tubes / tubular blanks (s.a. Abschn. 3.2.3).

2. Anordnen der Zuschnitte als Doppelblech (Patchwork-Strukturen) Diese Strukturen, auch engineered blanks genannt, bestehen aus einem Grundblech mit aufgeklebtem (bonded blank) oder thermisch gefügtem Verstärkungsblech (Abb. 3.72.).

Patchblech

Grundblech

Abb. 3.72. Prinzip Patchwork-Struktur


Am Rand dieser Patchwork-Strukturen entstehen starke Steifigkeits-sprünge. In diesem Bereich treten hohe Belastungen für die Schnittstelle (vor allem für Klebschichten) und das Grundblech auf und begrenzen die Möglichkeiten der Umformung. In Abb. 3.73. ist der Randbereich eines 3 mm Patchbleches auf einem 1 mm Grundblech dargestellt. Es wird er-sichtlich, dass die Einhaltung einer gleichmäßigen Klebschichtdicke pro-blematisch ist.

Abb. 3.73. Schnitt durch eine geklebte Patchwork-Struktur (Blechdicke 1 + 3mm)

Thermisch gefügte Patchwork-Strukturen werden bei geringeren Anfor-derungen an die Festigkeit durch Widerstandspunktschweißen gefertigt, bei höheren Forderungen durch Laserschweißen (s. Abb. 3.74. und 3.75.).

Abb. 3.74. B-Säule mit aufgeschweißten Patches zur Scharnierverstärkung


Abb. 3.75. Ausschnitt einer hydro-umgeformten Motorhauben-Patchworkplatine

Die Fügekosten für eine solche Patchwork-Struktur fallen vom laserge-schweißten Verbund über das Kleben bis zum Punktschweißen. Letztere Technologie ist entsprechend als erste eingeführt worden. Dabei werden aber nach dem Umformen i.d.R. noch weitere Schweißpunkte gesetzt, um die Ermüdungsfestigkeit sicher zu stellen.

Beim Kleben ist das Problem der elektrischen Kontaktierung des Patches zum Grundblech für die kathodische Tauchlackierung zu beachten. Ein Schweißpunkt löst diese Aufgabe.

Wesentliche Aufmerksamkeit ist in einer solchen Doppelstruktur wegen der Korrosionsstabilität dem Spalt zu widmen. Der Klebstoff kann durch das Hochdruckfluid bei geringerer Wasserbeständigkeit beeinträchtigt werden und es ergeben sich Angriffspunkte für Elektrolyte. Ein Lösungs-ansatz ist die Randabdichtung des Patches durch geeignete Dichtstoffe.

3.4.2 Hauptformgebungsprozess

Bei der Hydro-Umformung von Blechen, speziell bei der Innenhochdruck-Blechumformung (IHB), wird der Ziehstempel durch ein flüssiges Wirk-medium ersetzt. Die Form des herzustellenden Bauteils wird ausschließlich durch die Werkzeuggravur bestimmt. Zu Prozessbeginn erfolgt eine freie Aufweitung des Halbzeugs in der Umformzone. Bei zunehmendem Druck


kommt es zur Berührung mit der Gravur in der Matrize, bis der Werkstoff schließlich bei maximalem Innendruck vollständig an der Werkzeuggravur anliegt. Ein Fließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich wird, falls er-forderlich, zugelassen und ist für das Erreichen größerer Ziehtiefen sogar unabdingbar. Ein frühzeitiges Berühren von Werkstoff und Werkzeuggra-vur ist nachteilig für das Ausformen von Bauteilen mit großer Ziehtiefe. Die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff ist also im Gegensatz zum hydromechanischen Tiefziehen (s. Abschn. 3.4.2.4) beim Innenhoch-druck-Blechumformen nachteilig.

Die Innenhochdruck-Blechumformung hat vor allem bei der Umfor-mung von Doppelplatinen ein großes Potenzial. So ist es möglich, in einem Arbeitsgang zwei Platinen umzuformen, die eine unterschiedliche End-form aufweisen. Dies bedingt allerdings das unterschiedliche Einfließen von Werkstoff in die Umformzone. Bei signifikanten Unterschieden der Ziehtiefe der so herzustellenden Bauteile können deshalb nur ungefügte Platinen zum Einsatz kommen. Dadurch ist eine Relativbewegung der Pla-tinen zueinander möglich, die ein optimales Einfließen von Werkstoff in die Umformzone gewährleistet.

3.4.2.1 Prozessbeschreibung

Gegenüber dem Hydro-Umformen von Rohren und Profilen, dem Innen-hochdruck-Umformen (IHU), ist die Anzahl der Prozessparameter beim Innenhochdruck-Blechumformprozess eher gering. Daher ist es notwendig, den Umformvorgang mit den verbleibenden Prozessparametern so exakt wie möglich zu beeinflussen.

Der Umformvorgang im IHB-Prozess lässt sich in zwei Abschnitte ein-teilen. Zu Beginn erfolgt die Phase des Befüllens und anschließend die des Kalibrierens. Im Folgenden werden beide Phasen separat beschrieben.

Befüllen (s. Abb. 3.76.) In dieser Phase findet der größte Teil der Umformung statt. Es herrschen relativ kleine Schließkräfte und ein niedriger Innendruck. Die Platine muss auch hier gegenüber dem Werkzeug bzw. bei der Doppelplatinen-Hydro-umformung gegenüber der zweiten Platine so abgedichtet werden, dass ein Innendruck entstehen kann, der ausreicht, die Platine(n) in den Umform-raum (Gravur) zu ziehen, ohne dass es zu größeren Wanddickenreduzie-rungen kommt. Zu diesem Zweck dürfen die Schließkräfte den Werkstoff-fluss nicht derart behindern, dass das Umformvermögen des Werkstoffs aufgebraucht wird. Bei einer Umformung ohne zusätzliche Dichthilfsmit-tel, einer reinen Dichtung von Metallflächen, beeinflussen die Genauigkeit der Werkzeugdichtflächen zueinander und die Toleranzen der Platinendi-


cke maßgeblich den in Abhängigkeit von der Schließkraft der Werkzeug-hälften erreichbaren Innendruck. Das Fließen des Werkstoffs in den Um-formbereich ist dann nur durch das Ändern der Flanschbreite und der Tri-bologie zu beeinflussen. Die Flanschbreite kann nicht beliebig verkleinert werden, um ein Fließen von Werkstoff zu begünstigen, da am Ende der Ausformung eine genügend große Flanschbreite erforderlich ist, um den hohen Innendruck halten zu können. Außerdem muss zu Beginn der Um-formung der Flansch die Menge an Werkstoff beinhalten, der in die Um-formzone einfließen soll. Der Einsatz von Schmierstoffen beschränkt sich nur auf die trockenen Kontaktseiten des umzuformende Halbzeugs. Die andere Seite wird ständig von Hochdruckflüssigkeit aus Leckageverlusten überspült. Dies führt auch zu einer Verminderung der Reibung, die nicht über den gesamten Bereich der Dichtflächen konstant ist. Beim Einfließen von Werkstoff in die Umformzone wird dieser je nach geometrischen Ver-hältnissen gestaucht bzw. gestreckt. Dies führt zu Dickenänderungen des Bleches im Flanschbereich. An diesen Stellen kommt es zu einer erhöhten Reibung des umzuformenden Werkstoffs mit dem Werkzeugkörper. Als Folge kann es zum vermehrten Abstrecken von Werkstoff über den Ein-laufradius bis zum Versagensfall Reißen kommen.

Fschließ

flüssiges Wirkmedium BauteilUnterwerkzeug

Oberwerkzeug

Dichtstellen

Werkzeuggravur

Abb. 3.76. Prozess zu Beginn der Umformung (Füllen) nach [9]

Kalibrieren (s. Abb. 3.77.) Mit dem Abschluss der Füllphase bei relativ niedrigen Drücken ist auch der größte Teil der Formgebung erreicht. Anschließend beginnt das Kali-brieren. Dabei wird die Schließkraft derart erhöht, dass eine maximale Dichtheit gegenüber dem Innendruck erreicht wird. Dadurch steigt die Flä-chenpressung so weit, dass ein Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone verhindert wird. Die Flächenvergröße-rung durch die Umformung erfolgt jetzt ausschließlich durch eine Wanddi-ckenverringerung. Tribologische Einflüsse sind in dieser letzten Umform-phase zu vernachlässigen. Maßgeblichen Einfluss auf eine erfolgreiche Umformung hat ausschließlich das Restumformvermögen des Werkstoffs.


In dieser Phase können noch letzte kleinere Faltenansätze eliminiert werden. Zur Faltenbildung selbst kommt es nicht. Der Versagensfall Rei-ßen ist in dieser Phase vorherrschend. Dieser Versagensfall muss nicht durch einen plötzlichen Abfall des Innendrucks erkennbar sein. Durch das großflächige Anliegen des Werkstoffs an der Gravurwand ist ein Dichten gegenüber dem Innendruck auch nach dem Versagensfall Reißen oft ge-währleistet.

Prozessbegleitend können zum Zeitpunkt des höchsten Innendrucks weitere Zusatzoperationen, wie z.B. Lochen, durchgeführt werden.

Wenn diese letzte Phase der Umformung erfolgreich abgeschlossen ist, können der Innendruck abgebaut und die Werkzeughälften auseinander ge-fahren werden. Anschließend wird das umgeformte Bauteil entnommen.

Fschließ

druckbeaufschlagtesWirkmedium Bauteil

Unterwerkzeug

Oberwerkzeug

Dichtstellen

Werkzeuggravur

pi

Abb. 3.77. Prozess am Ende der Umformung (Kalibrieren) nach [9]

3.4.2.2 Berechnen und Abschätzen

Bereits im Vorfeld der Fertigung von Teilen durch Hydro-Umformung ist eine möglichst genaue Ermittlung der einzustellenden Prozessgrößen (vgl. Abb. 3.78.) erforderlich. Für folgende Parameter ist es sinnvoll, schon während der Machbarkeitsuntersuchungen bestimmte Werte, Bereiche oder Grenzen festzulegen:

InnendruckDer erforderliche Innendruck pi ist hauptsächlich von der Fließspannung bzw. der Zugfestigkeit des umzuformenden Werkstoffs und vom minima-len auszuformenden Radius des Bauteils abhängig. Der benötigte Innen-druck sollte möglichst unter 1.000 bar bleiben, da es sich oft um großflä-chige Bauteile handelt und die Größe der druckbeaufschlagten Fläche direkt Einfluss auf die notwendige Schließkraft hat. Außerdem ist ein An-teil der Schließkraft für das Dichten gegenüber dem Innendruck notwen-dig. Dieser muss zusätzlich zur – aus dem Innendruck errechneten – Ge-genkraft aufgebracht werden. Die Kosten für Hydro-Umformanlagen steigen exponentiell mit der zur Verfügung stehenden Schließkraft an.


Wirtschaftlich noch sinnvoll sind Innendrücke bis ca. 2.500 bar. Die Gren-ze von 4.000 bar wird aus wirtschaftlichen Gründen heute nur selten über-schritten. Der erforderliche Innendruck berechnet sich näherungsweise wie folgt:

10

2

20

min

0 ⋅−

⋅⋅=sr

Rsp mi [bar]

(3.7)

pi Innendruck [bar] Rm Zugfestigkeit [N/mm²] rmin kleinster Innenradius des Bauteils [mm] s0 Ausgangsblechdicke [mm]

SchließkraftDie Schließkräfte der Hydro-Umformanlagen liegen i.d.R. zwischen 25.000 und 50.000 kN, selten darüber. Schließkräfte von 130.000 kN sind derzeit als obere Grenze anzusehen (z.B. IHU-Anlage RoboClamp® der Fa. Gräbener Maschinentechnik GmbH & Co. KG [26]). Die Schließkraft be-rechnet sich wie folgt [135]:

FlanschgewichtGlstatBodengewichtGlstatschließ FFF .... +=

( ) erNiederhaltWerkzeugdicht FEsF +∆+ ,...,0 (3.8)

iBodenprojBodengewichtGlstat pAF ⋅=.. (3.9)

( ) ifiFlanschprojFlanschgewichtGlstat pkspAF ⋅= ,...,,, 0.. µ (3.10)

Aproj Boden projizierte Fläche der Gravur Aproj Flansch projizierte Fläche des Flansches EWerkzeug Elastizitätsmodul des Werkzeugwerkstoffs Fdicht Dichtkraft FNiederhalter Niederhalterkraft Fschließ Schließkraft Fstat.Gl.gewicht Boden Gleichgewichtskraft aus Gravurfläche mal Innendruck Fstat.Gl.gewicht Flansch Gleichgewichtskraft aus Flanschfläche mal Innendruck kf Umformfestigkeit pi Innendruck s0 Ausgangsblechdicke ∆s0 Differenz zwischen minimaler und maximaler Ausgangs-

blechdicke µ Reibwert


pi

Fdicht

Fstat.Gl.gewicht Flansch

FNiederhalter

Fstat.Gl.gewicht Boden

Fschließ

pp

Abb. 3.78. Prozessparameter beim Innenhochdruck-Umformen

RadienRadien sind so groß wie möglich zu wählen, da sie einen unmittelbaren Einfluss auf den erforderlichen Innendruck und damit auch auf die erfor-derliche Zuhaltekraft ausüben. Die untere Grenze des Bodenradius beträgt rBoden min ≥ 1,5·s0.

Da es sich bei Bauteilen, die durch IHB hergestellt werden, oft um groß-flächige Teile handelt und für die Ausformung sehr kleiner Radien sehr hohe Drücke (bis 4.000 bar) benötigt werden, ist grundsätzlich die erfor-derliche Schließkraft zu überprüfen.

Wenn sehr kleine Radien erforderlich sind und/oder die Schließkraft der IHU/IHB-Anlage nicht ausreicht, ist ggf. ein Nachkalibrieren in einer se-paraten konventionellen Stufe notwendig; ein zusätzlicher Arbeitsgang, der aber auch zusätzliche Kosten verursacht. Als Richtwert wird deshalb rBoden min ≥ 10·s0 empfohlen. Die Realisierbarkeit der Zwischenwerte ist ab-zuschätzen bzw. durch FEM-Simulation zu überprüfen.

Lochungen und Ausschnitte Die Anzahl der Lochungen bzw. Ausschnitte ist so gering wie möglich zu halten. Lochungen, Ausschnitte und Schnittkantenlängen sind so klein, Eckradien der Ausschnitte so groß wie möglich zu gestalten: reck min ≥ 2·s0.

Lochungen und Ausschnitte in Zargenbereichen sowie in Eck- und Ra-dienbereichen sind zu vermeiden. Durch den Lochvorgang kommt es zu einem Druckabfall im Bauteil. Der Druck auf den Werkstoff wird vermin-


dert und der Werkstoff kann sich entsprechend dem elastischen Verfor-mungsanteil entgegen der Umformrichtung bewegen. Dies wird hauptsäch-lich entlang des Zargenbereichs stattfinden. Hier ist ein Verklemmen aus-gefahrener Lochstempel zu erwarten.

Der Abstand zwischen den einzelnen Lochungen bzw. Ausschnitten ist so groß wie möglich zu halten. Beim Lochen nach innen muss der Lochstempel eine Kraft aufbringen, die es ermöglicht, sowohl den Werk-stoffzusammenhalt als auch den im Bauteilinneren herrschenden Druck zu überwinden. Diese Kraft wird auch durch die Größe der Kolbenfläche des Hydraulikzylinders, an dem der Stempel angebracht ist, bestimmt. Die Kolbenfläche bestimmt den benötigten Bauraum und damit auch den mi-nimalen Abstand der Locheinheiten zueinander. Daher kann es notwendig sein, bei vielen Lochungen bzw. großer Schnittkantenlänge das Lochen und Beschneiden in separaten Werkzeugen durchzuführen.

Beim Lochen nach außen übernimmt der Innendruck die Funktion des Lochstempels. Die Kraft dieses „liquiden“ Lochstempels wird vom herr-schenden Innendruck und von der Fläche des zu lochenden Querschnitts bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass die Kraft aus Innendruck mal Flä-che des zu lochenden Querschnitts ebenso groß ist wie die benötigte Schneidkraft aus Schneidfläche mal Scherfestigkeit. Da es sich hier aber nicht um reines Scheren, sondern um einen insbesondere durch Biegen überlagerten Schneidvorgang handelt, wird zweckmäßigerweise mit der Zugfestigkeit Rm gerechnet:

mLochungi RslAp ⋅⋅=⋅ 0 (3.11)

ALochung Fläche der Lochung oder des Ausschnittes l Schnittkantenlänge Rm Zugfestigkeit

ZiehtiefeGünstig sind flache, leicht gewölbte Teile. Für große Ziehtiefen, tiefe senkrechte Zargen, gegenläufige Formfeldbereiche und unsymmetrische Teile mit partiell unterschiedlichen Ziehtiefen ist die Beherrschbarkeit des Werkstoffflusses über Machbarkeitsanalysen zu überprüfen. Gegebenen-falls muss die Niederhalterkraft geregelt bzw. die Flächenpressung zwi-schen Niederhalter und Bauteilflansch partiell und separat aufgebracht werden. Diese Technik wird heute bereits von den Anlagenherstellern als Mehrpunktziehtechnik angeboten.

In besonderen Fällen ist die Schaffung von Materialreserven durch ent-sprechende Vorformung oder durch gezieltes Einbringen von Materialre-servetaschen vorzusehen.


FlanschbereichAnzustreben ist, dass der Flanschbereich in einer Ebene liegt und dadurch ein gleichmäßiger und kontrollierbarer Werkstofffluss ermöglicht wird. Ecken, Sprünge und kleine Radien sind zu vermeiden. Scharfkantige Ecken oder Sprünge sind nicht herstellbar. Kleine Radien begünstigen Fal-tenbildungen.

AbsätzeMehrfache, ineinander übergehende Absätze bzw. Übergänge sind zu ver-meiden, da jede Kante den Werkstofffluss behindert. Hohe Absätze sind besonders kritisch.

Hinterschnitte und Auswerferschrägen Hinterschnitte sind zu vermeiden, da sie mehrfach geteilte Werkzeuge er-fordern. Insbesondere bei hohen Zargen sind Auswerferschrägen (ca. ≥ 3°) anzustreben. Bei Bedarf sind im IHB-Werkzeug entsprechende Auswerfer vorzusehen.

3.4.2.3 Erläuterungen zu ausgewählten Prozessparametern

Werkzeugschließkraft Zwischen den beiden Werkzeughälften befindet sich der Flansch des um-zuformenden Bauteils. Die hier vorliegende Flächenpressung ist von ent-scheidender Bedeutung für das Fließen von Werkstoff aus dem Flanschbe-reich in die Umformzone. Zu diesem Zweck muss ein sehr hoher Pressdruck zwischen den Werkzeughälften erzeugt werden. Dieser ermög-licht elastische Formänderungen der Platinen im Bereich der Kontaktflä-chen, so dass ein flächiges Aufeinanderliegen der Platinen bzw. der Dop-pelplatinen im Werkzeug die erforderliche Dichtheit gegenüber dem Innendruck garantiert. Außerdem ermöglicht der Druck zwischen Ober- und Unterwerkzeug ein Ausgleichen von Dickenschwankungen der Platine bzw. von Fertigungsungenauigkeiten des Werkzeugs. Für den Aufbau des Innendrucks mit Hilfe eines flüssigen Mediums sind diese Ungenauigkei-ten so gering wie möglich zu halten. Eine große Flächenpressung zwischen Platine und Werkzeug behindert das Einfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone. Aus diesem Grund ist ein sensibles Steuern der Schließkraft für die Umformung notwendig.

InnendruckDer Innendruck erzeugt sowohl die Umformkraft, die den Werkstoff plas-tisch werden lässt, als auch die Kraft, die es ermöglicht, dass Werkstoff aus dem Randbereich in die Umformzone gezogen wird.


PlatinenzuschnittDie Breite des Flansches am Ziehteil ist für den Werkstofffluss in die Um-formzone von entscheidender Bedeutung. Ein schmaler Flansch begünstigt den Werkstofffluss. Für das Abdichten gegenüber dem herrschenden In-nendruck hingegen ist ein breiter Flansch vorteilhaft. Aus diesem Grund muss bei jedem auszuformenden Bauteil ein tragfähiger Kompromiss zwi-schen benötigter Flanschbreite und erforderlichem Ziehverhältnis gefun-den werden.

TribologieFür das Fließen des Werkstoffs in die Umformzone sind die tribologischen Bedingungen auf den Kontaktflächen zwischen Bauteil und Werkzeugele-menten bzw. bei der Doppelplatinen-Umformung auch zwischen den Ein-zelplatinen von großer Bedeutung (s. Kap. 2.5). Während auf den Kontakt-flächen zwischen Bauteil und Werkzeug auf der wirkmedienabgewandten Seite auch leicht haftende Öle und Fette für eine Verbesserung der Gleitei-genschaften eingesetzt werden können, ist ein Einsatz solcher Schmiermit-tel auf der wirkmedienzugewandten Seite bzw. bei der Doppelplatinen-Umformung innerhalb der beiden Platinenhälften nicht sinnvoll. Durch auftretende Leckagen wird es zu einer teilweisen Flüssigkeitsschmierung durch das Wirkmedium kommen. Ein vorhandener Ölfilm würde dabei von dem Wirkmedium weggespült werden. Daher sollte von einem Schmiermitteleinsatz auf den wirkmedienzugewandten Kontaktflächen ab-gesehen werden. Ist eine Schmierung auf den wirkmedienabgewandten Seiten nicht ausreichend, ist auf der wirkmedienzugewandten Seite mit Öl-in-Wasser Emulsionen (HFA-Flüssigkeiten) hoher Konzentration, Fest-schmierstoffen wie MoS2, Wachsen oder Gleitlacken zu arbeiten. Letztere erfordern allerdings einen hohen Aufwand bei der Reinigung der Bauteile.


Hydraulisches Tiefen Abgeleitet wurde das hydraulische Tiefen vom mechanischen Tiefen. Auch beim hydraulischen Tiefen wird ein Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone verhindert. Die Umformung mit einhergehender Oberflächenvergrößerung geht ausschließlich zu Lasten der Blechdicke. Im Unterschied zum mechanischen Tiefen wird beim hyd-raulischen Tiefen der Stempel durch ein flüssiges Wirkmedium ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass sich die Reibung so verringert, dass sich eine deutlich gleichmäßigere Formänderung über die umgeformte Bauteilfläche ergibt und größere Tiefen als beim mechanischen Tiefen erreicht werden können. Der Druck des Wirkmediums wird von einem außerhalb stehen-


den Druckerzeuger bereitgestellt und wirkt auf den umzuformenden Be-reich des Bauteils. Besonders Bauteile mit konkaven und konvexen Kontu-ren lassen sich aufgrund der gleichmäßigeren Formänderungsverteilung im Umformbereich besser durch hydraulisches als durch mechanisches Tiefen herstellen (s. Abbildungen 3.79., 3.80. und 3.81.).

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist das hydraulische Tiefen von Doppelplatinen (Abb. 3.82.). Hierfür werden zwei Platinen gleichzeitig umgeformt, wobei eine Platine die Form der Gravur im Oberwerkzeug und die andere die des Unterwerkzeugs annimmt. Über ein Andocksystem wird eine Verbindung zwischen der Hochdruckleitung im Werkzeug und dem Platinenzwischenraum hergestellt. Wegen der gewollten Verhinderung des Nachfließens von Material aus dem Flanschbereich können auch zuvor ge-fügte Platinenpaare umgeformt werden.

Bauteil

Niederhaltermit oberer

Druckplatte

Ziehring

FStempel

pi

FStempel

Abb. 3.79. Hydraulisches Tiefen von Einzelplatinen nach [163]

Bauteil

Werkzeug-oberteil

Werkzeug-unterteil

FStempel

pi

FStempel

Abb. 3.80. Hydraulisches Tiefen mit starrer unterer Matrize nach [163]


FStempel

pi

FStempel

Bauteil

Werkzeug-oberteil

Werkzeug-unterteil

Abb. 3.81. Hydraulisches Tiefen mit starrer oberer Matrize nach [163]

FStempel

pi

FStempel

Oberteil

Werkzeug-oberteil

Werkzeug-unterteil

Unterteil

Abb. 3.82. Hydraulisches Tiefen von Doppelplatinen nach [163]

Hydromechanisches Tiefziehen Beim hydromechanischen Tiefziehen (auch als Außenhochdruck-Umfor-mung AHU publiziert) wird die Matrize im Umformwerkzeug durch ein flüssiges Wirkmedium ersetzt (s. Abb. 3.83.), dessen Druck durch Ver-drängen infolge der Abwärtsbewegung des Stempels erzeugt wird.

Mit dem Ersetzen einer formgebenden Werkzeughälfte durch das Wirkmedium wird im Vergleich zum mechanischen Tiefziehen die Rei-bung des Bauteils am Werkzeug verringert, so dass sich die Formänderung gleichmäßiger über den umzuformenden Bereich verteilen kann. Gegen-über dem hydraulischen Tiefen wird beim hydraulischen Tiefziehen das Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich gestattet. Dadurch kann zusätzliches Material in die Umformzone gelangen, welches dann für das Erreichen großer Ziehtiefen genutzt wird.

Beim mechanischen Tiefziehen kommt es vor allem am Ziehradius der Ziehmatrize zu großen Wanddickenreduzierungen und dadurch zu einem schnellen Versagen des Bauteils. Durch den Einsatz eines Wirkmediums anstelle eines starren Werkzeugkörpers wird der umzuformende Werkstoff am Einlaufradius angehoben und kann mit stark verminderter Reibung leichter in die Umformzone fließen (s. Abb. 3.84.).

Das schnelle Anlegen von Werkstoff an den Ziehstempel zu Beginn der Umformung, hervorgerufen durch den großen Reibungsunterschied zwi-


schen Stempel und Werkstoff bzw. Druckmedium und Werkstoff, begüns-tigt zusätzlich das Fließen des Werkstoffs aus dem Flanschbereich in die Umformzone.

Platine

Dichtung

Stempel

Niederhalter

Druckmedium

Wasserkasten

Pressentisch


FNiederhalter FNiederhalterFStempel

pi

Abb. 3.83. Der Umformvorgang (Hydromec-Verfahren) nach [17] pi Innendruck

Niederhalter

Wasserkasten

Stempel

Bauteil pi

Abb. 3.84. Platineneinlauf am Ziehradius nach [163] pi Innendruck


Aktives Hydromechanisches Tiefziehen (Aktives Hydromec) Bei der Herstellung sehr flacher Blechbauteile ist die Formänderung zu ge-ring, um dem Bauteil dauerhaft die gewünschte Form zu geben. Um in sol-chen Fällen zu höheren Formänderungen zu gelangen, wurde das Aktive Hydromec-Verfahren entwickelt, welches das Einbringen einer Vorfor-mung in die umzuformende Platine ermöglicht (Abb. 3.85.). Hierfür wird die umzuformende Platine durch einen hydrostatischen Druck im Wasser-kasten entgegen der finalen Umformrichtung umgeformt. Anschließend wird der Werkstoff analog zum hydraulischen Tiefziehen mit starrem Stempel gegen den hydrostatischen Druck im Wasserkasten gepresst, so dass es schließlich zur Anlage des Werkstoffs an die Form des Stempels kommt. Durch dieses Verfahren kann gewährleistet werden, dass über das gesamte Bauteil ein ausreichender Umformgrad und damit die erforderli-che Stabilität der Bauteilform erreicht wird.

Platine

Dichtung

Stempel

Niederhalter

DruckmediumWasserkasten

Pressentisch

FNiederhalter FNiederhalter FNiederhalter FNiederhalterFStempel

pi pi

Abb. 3.85. Verfahrensprozesskette – Aktives Hydromec nach [53]

3.4.2.5 Typische Prozesslösungen

An Beispielen der Herstellung markanter Bauteile durch Hydro-Umformen werden typische Prozesslösungen des Innenhochdruck-Blechumformens (IHB) vorgestellt:

Herstellung einer Automobil-B-Säule Eine beispielhaft realisierte B-Säule besteht aus hochfestem Stahlblech TRIP 700, die Blechdicke beträgt 1,5 mm. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation (PAM-STAMP) wird der Umformprozess zunächst virtuell ab-gebildet. Dies ist insbesondere hilfreich zur Vorhersage von Problemstel-


len, die im realen Umformprozess zu erwarten sind. Mit den Ergebnissen der Simulation können schon zu einem frühen Zeitpunkt Änderungen in der Technologie, der Bauteilgeometrie und des Umformwerkzeugs vorge-nommen werden. So lassen sich Änderungsschleifen am realen Umform-werkzeug einsparen und dadurch Kosten reduzieren.

Abb. 3.86. Herzustellendes Bauteil

Abbildung 3.86. zeigt die Fertiggeometrie eines typischen Bauteils, das konventionell durch Tiefziehen hergestellt wird. Bei der Umstellung der Fertigungstechnologie auf Hauptformgebung durch Innenhochdruck-Blechumformung wurde die Ankonstruktion zunächst ebenso wie bei ei-nem Tiefziehteil gewählt. Das linke Bild in Abb. 3.87. zeigt das Ergebnis einer ersten Umformsimulation. Die markierten Bereiche wurden dabei als die umformtechnisch problematischen Stellen identifiziert. Dies sind im Wesentlichen die Radienbereiche der Dach- und Schwellenanbindung. Die Simulation signalisierte einen dringenden Änderungsbedarf. Im rechten Bild in Abb. 3.87. lassen sich die veränderten Geometriebereiche und de-ren Auswirkung auf das Umformergebnis erkennen.


-0,1

-0,07

-0,04

-0,01

0,02

0,05

0,08

0,11

0,14

0,17

0,2

0,15

0,10

0,06

0,01

-0,04

-0,09

-0,13

-0,18

-0,23

-0,27

-0,32

Abb. 3.87. Bereiche mit problematischer Geometrie (max. Ausdünnung)

Nun wurde im Bereich 1 (Abb. 3.88.) der Bodenradius verändert, da sich dieser als nicht vollständig ausformbar erwies. Dadurch konnte die Ausdünnung an dieser Stelle auf 20% reduziert werden. Im Bereich 2 wur-de der Platinenzuschnitt geändert, um eine Verringerung der Faltenbildung zu erreichen. Außerdem wurde, mit dem Ziel eines größeren Werkstoffbe-darfs im Bereich 3, das Prägefeld nach außen aufgestellt.

-0,1

-0,07

-0,04

-0,01

0,02

0,05

0,08

0,11

0,14

0,17

0,2

1

2

3

Abb. 3.88. Ausdünnung der gezogenen B-Säule mit Problembereichen


Da diese Maßnahme nicht den erwarteten Erfolg brachte, wurde das Prägefeld wieder nach innen gerichtet und in seiner Form und Lage variiert (Abb. 3.89.). Mit der Vergrößerung seiner Tiefe auf 6 mm wurde zwar ei-ne Verringerung der Faltenbildung im unteren Teil der B-Säule erzielt, signifikante Verbesserungen konnten jedoch auch durch weitere Variatio-nen nicht erreicht werden.

-0,1

-0,07

-0,04

-0,01

0,02

0,05

0,08

0,11

0,14

0,17

0,2

1

Abb. 3.89. Bereich mit Faltenbildung

Da also eine Veränderung der Gravur der B-Säule keine entscheidende Reduzierung der Faltenbildung erbrachte, wurde nun auf eine Verringe-rung des Werkstoffflusses aus dem Flanschbereich orientiert (s. Abb. 3.90.). Durch das Einbringen von Sicken in der Flanschebene wird der Werkstoff zurückgehalten. Dadurch gelangt weniger Werkstoff in die Um-formzone, was zu einer Verringerung der Faltenbildung führt.

Mit diesen Ergebnissen aus der Simulation wurde das IHB-Werkzeug konstruiert und gebaut. Durch praktische Versuche konnten die Ergebnisse aus der Simulation bestätigt werden (s. Abb. 3.91.).


-0,1

-0,07

-0,04

-0,01

0,02

0,05

0,08

0,11

0,14

0,17

0,2

21

Abb. 3.90. Ausdünnung der gezogenen B-Säule ohne Faltenbildung

Sc

hli

eß

kra

ft i

n k

N

Inn

en

dru

ck

in

ba

r

Zeit in s

20.000

40.000

30.000

50.000

10.000

6420 8 10

400

200

600

800

Schließkraft Fschließ

Innendruck pi

Abb. 3.91. Umgeformte B-Säule mit dazugehörigen Prozessparametern Fschließ Schließkraft pi Innendruck

Herstellung einer Scharnierverstärkung Das Bauteil Scharnierverstärkung besteht aus feuerverzinktem Stahlblech St05Z (1.0358) und weist eine Blechdicke von 0,8 mm auf. Um einer wirt-schaftlichen Fertigung Rechnung zu tragen, wurde auf Doppelteil- und Doppelplatinen-Umformung orientiert, so dass es möglich wurde, vier Tei-le in einem Arbeitshub umzuformen.

Zunächst erfolgte wiederum eine Machbarkeitsanalyse mittels FEM-Simulation (PAM-STAMP). In Abb. 3.92. ist die Scharnierverstärkung mit dem bei der Umformung erfolgten Flanscheinzug zu sehen. Die kritischen Bereiche sind durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet und durch die Farbskala beschrieben.


Bereich des Materialstaus

Werkstofffluss

Anfangsberandung

Platine

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Thinning [.]

Abb. 3.92. Darstellung des Simulationsergebnisses anhand der Ausdünnung

Das Ergebnis der Simulation ist anhand der Ausdünnung zu erkennen. Die Ausdünnung ergibt sich aus der Gleichung

0

10

ssssAusdünnung

−= (3.12)

s0 Ausgangsblechdicke s1 Blechdicke nach der Umformung sAusdünnung Ausdünnung

Als kritisch erwies sich die tiefste Stelle im Bauteil. Durch ungünstige Bedingungen für das Nachfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich in die Umformzone ging die Umformung fast ausschließlich zu Lasten der Blechdicke.

Im Flanschbereich ergibt sich durch den Werkstofffluss aus verschiede-nen Richtungen ein Materialstau, der eine Aufdickung zur Folge hat. So-mit kommt es zu einem Klemmen des Werkstoffs in der Schließebene. Dies behindert das Einfließen von Werkstoff in die Umformzone. Trotz dieser ungünstigen Faktoren konnte eine erfolgreiche Ausformung festge-stellt werden, da die Menge des eingeflossenen Werkstoffs für die Aus-formung ausreichte.

Aus der Simulation ist auch ersichtlich, dass die Versteifungssicken, trotz ihrer etwas kritischen Geometrie (kleine Radien, entgegengesetzte Wölbung), ausgeformt werden können (Abb. 3.93.).

Nach erfolgreich durchgeführter Machbarkeitsanalyse durch Simulation wurde das Werkzeug konstruiert und gebaut. Anschließend erfolgte die praktische Überprüfung der theoretischen Umformergebnisse.


Das ausgeformte Doppelteil ist in Abb. 3.94. dargestellt. Es zeigt das bei einem Umformdruck von 700 bar erzielte Umformergebnis. In Abb. 3.95. ist ein finales Bauteil zu sehen.

Thickness [.]

-0,0293

-0,006669

0,016

0,0386

0,0612

0,0839

0,1065

0,1292

0,1518

0,1744

0,1971

0,2197

0,2423

0,265

0,2876

ausgeformte Versteifungssicke

Abb. 3.93. Ausformung der Versteifungssicken

Abb. 3.94. Doppelteil

Abb. 3.95. Beschnittenes Bauteil


Machbarkeitsstudie zur Herstellung eines Kraftstoffbehälters durch Hydro-UmformenAm Beispiel des Kraftstoffbehälters für ein Motorrad aus DC 04 (1.0338), Blechdicke 0,8 mm, wurde eine Analyse der fertigungstechnischen Mach-barkeit durch Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) vorgenommen. Da-bei wurde insbesondere darauf geachtet, dass im Vergleich zur derzeitigen klassischen Fertigungsmethode die Anzahl der Einzelteile reduziert wird und die Schweißnaht auf der Tankoberseite entfällt.

Der Kraftstoffbehälter besteht in seinem konventionellen Aufbau aus

− dem Tank-Oberteil (Abb. 3.96.), bei dem zwei tiefgezogene Blechhälf-ten durch Schweißen gefügt werden, und

− dem Tank-Unterteil (Abb. 3.97.), bei dem drei geformte Blechteile ver-schweißt werden.

Ober- und Unterteil werden zum Kraftstoffbehälter zusammenge-schweißt. Diese Technologie ist sehr kostenintensiv, insbesondere durch die aufwändige Nacharbeit der Schweißnaht im Oberteil, die am Fertigteil nicht mehr sichtbar sein darf.

Abb. 3.96. Tank-Oberteil

Abb. 3.97. Tank-Unterteil


Ziel der Untersuchungen war die Herstellung beider Tankteile in einem Arbeitsgang durch Innenhochdruck-Blechumformung (IHB), d.h. beide Teile in das IHB-Werkzeug aufzunehmen, gemeinsam umzuformen und auszuprägen, möglichst gleichzeitig zu lochen und im Verbund zu ent-nehmen (s. Abb. 3.98.).

Fschließ

Fdicht

Stößelplatte

Prägematrize

Doppelplatine(vorgeformt und

verschweißt)

Stempel

Druckzuführung

Tischplatte

Seitenschieber

abkanten vorformen fertig formen

Abb. 3.98. Fertigungsvariante

Zur Verkürzung der Rechenzeiten wurden jeweils selbstständige Ar-beitsgänge nach Abb. 3.99. bzw. Abb. 3.100. simuliert (PAM-STAMP). Zur schnellen Ergebniseinschätzung wurde weitgehend mit Modellhälften gerechnet.

Fschließ

Fdicht

Stößelplatte

Prägematrize

vorgeformtePlatine

Stempel

Druckzuführung

Tischplatte

Seitenschieber

Abb. 3.99. Fertigung Oberteil

Fschließ

Fdicht

Stößelplatte

Abdeckplatte

vorgeformtePlatine

Stempel

Druckzuführung

Tischplatte

Seitenschieber

Abb. 3.100. Fertigung Unterteil


Bei der Gestaltung des IHB-Werkzeugs ist zu beachten, dass die Aktiv-teile das Einlegen vor und insbesondere das Entnehmen des Werkstücks nach dem Umformvorgang nicht behindern. Dazu musste eine Aktivteil-Segmentierung festgelegt werden, die eine sinnvolle Konturteilung ermög-licht und den Werkstofffluss begünstigt bzw. nicht wesentlich behindert. Außerdem war eine die Kompliziertheit des Werkzeugs steigernde und damit verteuernd wirkende Ausführung weitestgehend zu vermeiden.

Bei den mit allen Folgeoperationen durchgeführten FEM-Rechnungen für das Tank-Oberteil, von denen die letzte Simulationsvariante in Abb. 3.101. dargestellt ist, war klar erkennbar, dass die Außenhaut im Sichtbe-reich nicht völlig faltenfrei umgeformt werden kann (Einzelheit Y) und dass im Konturenbereich Fügeflansch (Einzelheit X), in der vorderen Re-gion (Einzelheit Y) sowie im Sitzbereich (Einzelheit Z) Wanddicken-schwächungen von ca. 40% auftreten.

X Y

Z

pi = 100 bar pi = 1.200 bar

Abb. 3.101. Tank-Oberteil nach IHB

Während die zunächst verbliebene Faltenbildung durch intensive Opti-mierungsrechnungen weitgehend eliminiert werden konnte, ist die große Dehnung und die daraus resultierende Wanddickenverminderung auf die Bauteilkonstruktion zurückzuführen und ohne deren grundlegende Ände-rung nicht ausreichend zu verhindern.

Bei der Simulation des Umformvorganges für das Tank-Unterteil wurde dieses von außen mit Druck beaufschlagt. Dazu war das Ausgangsteil in Form und Abmessungen so zu gestalten, dass während des Umformvor-ganges möglichst an allen Stellen des Teiles Zugspannungen wirkten, die eine Faltenbildung verhinderten. Gleichzeitig durften diese Spannungen nicht zu einer zu hohen Dehnung (über 25%) und damit unzulässigen Wanddickenreduzierung führen.

In Simulationsschleifen – von der Zuschnittsbestimmung über die Aus-legung der Ziehteilkontur und damit des Ziehwerkzeugs bis hin zum IHB-Vorgang – ist es gelungen, die Faltenbildung weitgehend zu reduzieren.


Diese Bemühungen gingen jedoch zu Lasten der Wanddicken: Abbildung 3.102. zeigt diese kritischen Stellen in X und Y (ε ≥ 25%) und Z (ε ≥ 30%).

XY

Z

Abb. 3.102. Tank-Unterteil nach IHB

Bei der gegebenen Gestaltung des Tank-Unterteils war eine völlige Verhinderung der Faltenbildung nicht möglich. Durch weitere Optimie-rungsschleifen wurde erreicht, dass Restfalten in Zonen gelenkt wurden, wo sie für Funktion und Aussehen des Tanks bedeutungslos sind. Eine Wanddickenminderung unter 20% war bei der vorliegenden Bauteilkontur trotz vieler Simulationsrechnungen nicht realisierbar.

Für das Ober- und Unterteil des Tanks wurde ein Technologievorschlag erarbeitet, der im Wesentlichen auf dem Einsatz des kostengünstigen IHB-Verfahrens aufbaut. Damit können mehrere Ziehoperationen und Folgear-beitsgänge sowie Werkzeugkosten in einer Größenordnung von ca. 20% eingespart werden. Der Vorschlag geht davon aus, dass bei einer lokalen Modifizierung des Bauteildesigns von vornherein die Belange und Mög-lichkeiten des IHB-Vorganges berücksichtigt werden.

3.5 Verfahrensadaption

3.5.1 Thermische Hydro-Umformung

Das Hauptziel der temperaturunterstützten Umformenung besteht in der Verbesserung des Umformvermögens bzw. in der Erweiterung der Um-formgrenzen schwer umformbarer Werkstoffe, wie z.B. Magnesium- oder Titanlegierungen. Dadurch können die Prozesssicherheit erhöht, die erfor-derlichen Prozess- und Umformkräfte gesenkt sowie die Form- und Maß-genauigkeit der Bauteile verbessert werden.

3.5 Verfahrensadaption 119

Einige Werkstoffe lassen sich nur durch Temperaturunterstützung sinn-voll umformen. So besitzt zum Beispiel Magnesium aufgrund seiner hexa-gonalen Gitterstruktur nur eine eingeschränkte Kaltumformbarkeit. Im Vergleich zu Aluminiumlegierungen, die insgesamt 12 Gleitsysteme auf-weisen, sind bei Magnesiumwerkstoffen nur drei vorhanden (s. Tabelle 3.9.), was sich negativ auf das Umformverhalten auswirkt [41].

Tabelle 3.9. Verformungsmechanismen bei Magnesium nach [41]

a1

a2

a3

c

a2a1

c

a3a3a3

a2a1

c

a3

Basisgleitebene (0001)

Pyramidenebene (2. Ordnung) (1012)

Pyramidenebene (1. Ordnung) (1011)

Durch einen gezielten Wärmeeintrag entstehen zusätzliche Gleitebenen. Im Ergebnis temperierter Zugversuche konnte geschlussfolgert werden, dass die Umformfestigkeit kf von Magnesiumlegierungen mit steigender Temperatur abnimmt und die erreichbaren Formänderungen zunehmen. Vor allem bei Temperaturen über 200 °C zeigte sich ein deutlicher Abfall der Umformfestigkeit bei gleichzeitig hohen Dehnungen. Dieser Festig-keitsabfall weist darauf hin, dass bereits bei diesen Temperaturen ther-misch aktivierte Entfestigungsvorgänge im Werkstoff stattfinden und zusätzliche Gleitebenen zum Tragen kommen. So besitzt z.B. die Magne-siumlegierung AZ31 (3.5312) bei einer Temperatur von ϑ = 225 °C ein mit Stahl und Aluminium vergleichbares Umform- bzw. Tiefziehverhalten.

Durch Erhöhung der Umformtemperatur können die für den Hydro-Um-formprozess typischen Verfahrensvorteile gegenüber der konventionellen Umformtechnik wie

− Realisierung komplexer Bauteilgeometrien,− Realisierung hoher Umformgrade sowie − positive Beeinflussung der Bauteileigenschaften (Form-/Maßgenauig-

keit, Steifigkeit)

auch für im kalten Zustand schwer umformbare Werkstoffe genutzt und das Anwendungsspektrum für Leichtbauwerkstoffe erweitert werden.

Voraussetzung für temperaturunterstützte Hydro-Umformprozesse ist, dass ein erwärmtes Wirkmedium zur Verfügung steht und dass auch die


Werkzeuge erwärmt werden. In Abb. 3.103. ist ein Temperierungssystem zur Erwärmung des Hochdruckmediums und des IHU-Werkzeugs schema-tisch dargestellt [84].

T-IHB-Werkzeug

Dampf-

abscheider

Absauganlage

incl. Filterung

(mobil)

Elektroerhitzer

(60 kW)

Thermalöl≤ 345 °C

≤ 3 bar

Basisträger (mobil)

temperierter

Druckübersetzer

Sekundärseite≤ 330 °C

≤ 12 bar

thermisch entkoppelt

Primärseite (HFA)≤ 2.000 bar

≤ 50 °C

zur IHU-Presse

Filter10 µm

Pumpe≤ 330 °C

≤ 14 bar

Rücklauftank und

Wärmetauscher

≤ 330 °C

≤ 12 bar

TIC

≤ 330 °C

≤ 800 bar

Abb. 3.103. Temperierungsanlage am Fraunhofer IWU Chemnitz nach [84]

Zur Durchführung thermischer Hydro-Umformprozesse ist die Betrach-tung des gesamten umformtechnischen Systems mit seinen Wechselwir-kungen erforderlich [110]. Die eingesetzte Werkzeugtechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle. Zu berücksichtigen sind:

− Wärmeausdehnung − Wärmeübergang − Isolierung (gegenüber Maschine, Umwelt, ...) − Absaugeinrichtungen (Gasbildung des Wirkmediums)

Das in Abb. 3.104. dargestellte Referenzobjekt, eine zweiteilige Modell-Motorhaube aus der Magnesiumlegierung AZ31B (3.5312), wurde bei einer Prozesstemperatur von ϑ = 225 °C und einem Innendruck von pi = 600 bar hergestellt [159]. Dabei können Innen- und Außenteil in ei-nem Arbeitsgang gemeinsam umgeformt werden.


Abb. 3.104. Modell-Motorhaube (links: Innenteil; rechts: Außenteil)

Auch Aluminiumwerkstoffe sind bei erhöhten Temperaturen besser um-formbar. Die derzeitigen Temperaturgrenzen der thermischen Hydro-Umformung werden im Wesentlichen durch die zur Verfügung stehenden Wirkmedien bestimmt.

Zur Überwindung dieser Temperaturgrenzen können gasförmige Me-dien eingesetzt werden, mit denen Umformtemperaturen > 1.000 °C reali-sierbar sind. Somit sind die Potenziale der temperaturunterstützten wirk-medienbasierten Umformung auch für Aluminiumlegierungen, höherfesten Stahl und Titanlegierungen nutzbar.

3.5.2 Metallschaum in Hydro-Umformteilen

In den letzten Jahren hat das Interesse an Metallschäumen, insbesondere aus Aluminium und Zink sowie deren Legierungen, deutlich zugenommen. Neue Verfahrensentwicklungen versprechen eine höhere Qualität des ge-schäumten Metalls sowie eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Reproduzierbarkeit des Schäumungsprozesses. Geänderte Rahmenbedin-gungen (z.B. Forderung nach Reduzierung des Fahrzeuggewichts und Er-höhung der passiven Sicherheit der Fahrzeuge) führen zu einer höheren Akzeptanz geschäumter Metalle.

Ein Beispiel stellt dabei das Aluminium-Space-Frame-Konzept der Fa. Karmann (Abb. 3.105.) dar, das aus Aluminium-Strangpressprofilen und Aluminiumschaum-Sandwichblechen aufgebaut ist [13].

Durch Weiter- bzw. Neuentwicklungen von Verfahren für das Schäu-men von Metallen in den letzten Jahren stehen heute schmelz- und pul-vermetallurgische Methoden zur Verfügung, bei denen Aufwand und Kos-ten wesentlich reduziert wurden, die besser zu kontrollieren sind und reproduzierbarere Ergebnisse liefern [144, 151, 152, 155, 156, 157].


Abb. 3.105. Aluminium-Space-Frame-Konzept, aufgebaut aus Aluminium-Strang-pressprofilen und Aluminiumschaum-Sandwichblechen [WILHELM KARMANN GMBH]

Seit ca. 1990 werden insbesondere mit auf pulvermetallurgischem Weg hergestellten Schäumen Untersuchungen und Tests speziell an crashrele-vanten Bauteilen wie z.B. Türseitenaufprallschutz, Stoßfänger, Längs- und Querträger durchgeführt. Dabei wird die relativ hohe Festigkeit der ge-schäumten Metalle in Verbindung mit ihrem, von der porösen Struktur verursachten, stark degressiven Verformungsverhalten genutzt.

Einen Überblick über die allgemeinen mechanischen Eigenschaften von Metallschäumen geben Gibson und Ashby [36], Neugebauer u.a. [44, 77, 85, 86], Degischer [27] sowie [2].

Herstellung von Metallschäumen Zur Herstellung von Metallschäumen stehen grundsätzlich mehrere Ver-fahren zur Auswahl. Die Möglichkeiten reichen von Abscheidtechniken über schmelzmetallurgische bis zu pulvertechnologischen Verfahren [12, 44, 166]. Die Eigenschaften der Metallschäume sind je nach Herstellungs-verfahren unterschiedlich und charakteristisch. In [12, 64, 166] wird ein Kurzüberblick über die wichtigsten schmelz- und pulvermetallurgischen Verfahren gegeben.

Bei den schmelzmetallurgischen Verfahren wird der Metallschaum au-ßerhalb des auszuschäumenden IHU-Bauteils erzeugt und anschließend in


das IHU-Teil eingedrückt. Bei den pulvermetallurgischen Verfahren wird zunächst ein schäumfähiges Halbzeug hergestellt. Dieses wird entweder außerhalb des IHU-Teils geschäumt und anschließend in das Bauteil ein-gedrückt oder es wird in das IHU-Teil direkt eingelegt und zusammen mit diesem erwärmt, bis es aufschäumt.

Für die technische Nutzung von Metallschäumen sind Aufwand und Begrenzung in der Herstellbarkeit von Querschnitten und Volumina von entscheidender Bedeutung.

So sind z.B. durch die schmelzmetallurgischen Verfahren großvolumige Bauteile herstellbar, jedoch nur mit geringer Komplexität des Querschnitts und im Zusammenhang mit einer aufwändigen maschinellen Einrichtung.

Der Weg über pulvermetallurgische Verfahren erlaubt die Nutzung be-reits bekannter Verfahren wie z.B. Pulverpressen. So kann bei der Herstel-lung des Vormaterials auf bestehende Technologien wie Strangpressen zu-rückgegriffen werden. Beim Aufschäumen in der Kokille bestehen teilweise Analogien zu bekannten Gusstechnologien.

Metallgeschäumte Hydro-Umformteile besitzen folgende Vorteile:

− Sehr gute Energieabsorptionseigenschaften: Einsetzbar als Aufprall-schutz für das Fahrzeug im Front-, Heck- oder Seitenbereich. Die Ein-baurichtung des geschäumten IHU-Teils ist dabei aufgrund seines isotropen Gefüges unabhängig von der Stoßrichtung [158].

− Günstige Steifigkeit bei geringem Gewicht: Durch das partielle (an den crashrelevanten Bereichen) oder vollständige Ausschäumen wird eine wesentliche Verbesserung des Verhältnisses Gewicht – Energieabsorp-tionsvermögen gegenüber ungeschäumten Hydro-Umformteilen er-reicht.

− Hoher Wirkungsgrad bei der Schallabsorption, der Resonanzdämpfung und der elektromagnetischen Abschirmung: Einsatzmöglichkeit z.B. als Wärmeschutzschild im Pkw-Motorenbereich, zur Abschirmung der Fahrgastzelle gegen Schallemission und Vibrationen sowie zur Ab-schirmung der elektronischen Geräte im Pkw.

− Eigenschaften sind „maßgeschneidert“ einstellbar: Durch Veränderung der Legierung, der Porengröße, der Dichte und durch partielles Aus-schäumen lassen sich die Bauteileigenschaften zielgerichtet einstellen.

− Sehr gut und einfach bearbeitbar: Durch alle spanabhebenden Verfahren (Fräsen, Bohren, Sägen etc.) können metallgeschäumte IHU-Teile me-chanisch bearbeitet werden. Weiterhin kann der Schaumblock in Gren-zen umgeformt sowie durch Schrauben oder Bolzen gefügt werden.

− Sehr gut und vollständig recyclebar: Beeinträchtigt nicht die Umwelt.


Im Folgenden werden Beispiele für Anwendungspotenziale im Auto-mobilbau vorgestellt:

− Stoßfänger vorn / hinten − Deformationselemente − Motorträger− Längsträger / Querträger − Seitenschweller − Dachträger− Türverstärkungen− Seitenaufprallschutzelemente− Überrollbügel − Hohle Nockenwellen − Modulträger− Wärmeschutzschilder − Schutzgehäuse etc. − A-, B-Säulen (meist lokal)

Die Abbildungen 3.106. bis 3.110. geben einen Überblick über ausge-wählte realisierte Beispiele ausgeschäumter hohlkörperförmiger Bauteile.

Abb. 3.106. Space-Frame-Knotenelement mit Aluminiumschaum

Abb. 3.107. Querschnitt durch einen Längsträger mit Aluminiumschaum


Abb. 3.108. Schnitt durch einen vorderen Pkw-Längsträger im gecrashten Zustand mit und ohne Metallschaum (ALULIGHT INTERNATIONAL GMBH, ÖSTERREICH)

Abb. 3.109. Hydro-umgeformte Pkw-Nockenwelle mit und ohne Aluminium-schaum (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)

Abb. 3.110. IHU-umgeformter Pkw-Stoßfänger (vorn) mit Aluminiumschaum ausgeschäumt [MAGNA IHV GMBH; FRAUNHOFER IWU]

Metallschäume besitzen vorteilhafte physikalische und mechanische Ei-genschaften, wodurch sich Anwendungen im Automobil- und Maschinen-bau anbieten.

Das Schwingungs-, Steifigkeits- und Crash-Verhalten von Hydro-Umformteilen kann durch das Metallausschäumen wesentlich verbessert werden.


3.5.3 Verfahrensintegration

3.5.3.1 Schneiden und Lochen

Im Hydro-Umformwerkzeug integrierte Schneidoperationen können ent-lang geschlossener oder offener Schnittlinien durchgeführt werden. Mögli-che Schnittlinienverläufe sind in Abb. 3.111. dargestellt. Eine geschlosse-ne Schnittlinie kann umlaufend (a, c, d) oder nichtumlaufend (e, f) über dem Umfang ausgebildet werden. Außer bei b und g entstehen mindestens zwei Teile. Die Trennebenen können senkrecht, längs und schräg zur Rohrachse verlaufen.

a b c d e f g

Abb. 3.111. Schnittlinienverläufe nach [128]

LochenLochen im konventionellen Sinn ist einhubiges Schneiden längs einer in sich geschlossenen Schnittlinie zur Erzeugung einer Innenform am Werk-stück. Beim Hydro-Umformen kommt überwiegend das Scherschneiden zum Einsatz.

Eine wichtige Ergänzung des Hydro-Umformens ist das Schneiden und Lochen im gleichen Werkzeug unter Ausnutzung des Innendrucks. Dieses Verfahren ist durch die Reduzierung der Stufenfolgen nicht nur wirtschaft-licher, sondern bietet auch eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkei-ten von IHU-Prozessen.

Das Lochen mit Innenhochdruck ist ein Schneidvorgang, bei dem die Trennung des Werkstoffs entlang einer geschlossenen Schnittlinie durch das gemeinsame Wirken des Innendruckmediums und eines Werkzeug-elements mit geometrisch bestimmtem Schneidkeil auf das Schnittteil er-folgt. Es wird zwischen zwei Verfahrensvarianten unterschieden [145, 147, 153] (vgl. Abb. 3.112.).

Beim Innenhochdruck-Lochen (IHL) mit Schneidstempel bilden sich ein Einzug sowie der Grat auf der Innenseite; der Butzen liegt im Rohr. Beim Innenhochdruck-Lochen mit Schneidring entsteht der Grat auf der Außen-seite; der Butzen liegt im Schneidring [68].


pipi

Rohr/Profil

Butzen

Schneidring

aktiverSchneidstempel

Gegenhalter

a b

FStempel

Fgegen

Abb. 3.112. Varianten des Lochens mit Innenhochdruck a) Lochen mit Schneidstempel (von außen nach innen)

b) Lochen mit Schneidring (von innen nach außen)

Abweichend vom Scherschneiden mit zwei Werkzeugaktivteilen kommt es beim IHL zu einer zusätzlichen Biegebeanspruchung aufgrund des ver-größerten Abstandes zwischen Schneidkanten und Kraftwirkungslinien, was i.d.R. erhöhte Biegeanteile in der Nähe der Schnittkanten und eine Veränderung des Verhältnisses von Schnitt- zu Bruchzone zur Folge hat.

Die Schneidbarkeit bzw. Qualität der Lochoperation beim Hydro-Umformen wird durch folgende Parameter beeinflusst:

− mechanische Eigenschaften des Werkstoffs − Wanddicke und Lochgeometrie des Bauteils − Schneidprinzip − Geometrie der Aktivteile − Verfahrensparameter (Lochkraft, erforderlicher Innendruck, Schneid-

geschwindigkeit, ...)

Ein besonderes Problem beim Innenhochdruck-Lochen ist die Leckage, die insbesondere bei nacheinander ausgeführten Mehrfachlochungen an ei-nem Bauteil zu einer unvollständigen Lochung führen kann.

Lochen mit Schneidstempel Beim Lochen mit Schneidstempel (von außen nach innen) wirkt die Schneidkante des Lochstempels auf die Rohrwandung; das Druckmedium wirkt als Schneidmatrize. In Abhängigkeit von der Höhe des Innendrucks und der Steifigkeit des Hydro-Umformteils (verursacht durch Werkstoffei-genschaft, Wanddicke, Werkstückgeometrie) kommt es vor dem eigentli-chen Trennvorgang beim Aufsetzen des Schneidstempels auf das Werk-stück zur Ausbildung eines mehr oder weniger großen Einzugs entlang der späteren Schnittkante.

Ist eine Entfernung des Schneidbutzens aus dem Endteil nicht sicherge-stellt, kann ein Verfahren gewählt werden, bei dem der Butzen fest am


Bauteil verbleibt. Hierzu wird der Lochstempel nur über einen Teilbereich seines Umfangs mit einer Schneidkante versehen, so dass er einen unter-brochenen Schnitt erzeugt. Der Werkstoff wird lediglich im Bereich der scharfen Kante abgeschert; der entstehende Butzen wird durch den ein-dringenden Lochstempel umgebogen. Man spricht in diesem Fall vom Lo-chen mit hängen bleibendem Butzen [20].

Das Verhältnis des Rohraußendurchmessers zum Lochstempeldurch-messer hat einen wesentlichen Einfluss auf die Schnittqualität beim Lo-chen von Rohren. Je geringer der Unterschied zwischen Rohraußen- und Lochstempeldurchmesser, umso schlechter sind die Lochbedingungen [68].

Lochen mit Schneidring Beim Lochen mit Schneidring (von innen nach außen) verschließt zunächst ein Gegenhalter die Werkzeuggravur. Nach abgeschlossener Umformung wird der Gegenhalter vom Werkstück weg bewegt. Dabei gibt er in der Gravur die Schneidkante frei. Das Wirkmedium übernimmt die Funktion des Schneidstempels und verursacht im Bereich der Schnittkante im Werk-stück hohe Scherspannungen, die zum Trennen des Werkstücks führen. Der entstandene Butzen verbleibt im Hohlraum des Schneidringes und wird entweder nach der Entnahme des Werkstücks aus dem Werkzeug ausgestoßen oder zunächst mit dem umgeformten Teil aus dem Werkzeug transportiert und später entfernt.

Anders als beim Lochen nach innen treten beim Lochen mit Schneidring geringere Einzüge im Schnittkantenbereich auf, da hier die Schneidkraft nach außen wirkt und das Bauteil von der Werkzeuggravur abgestützt wird (s. Abb. 3.113.).

Abb. 3.113. Von innen nach außen gelochtes Bauteil (Ausschnitt) [20]

Durch das Fehlen eines Schneidstempels kann bei diesem Verfahren keine Kalibrierung der Lochkontur erfolgen. Dadurch ist in den meisten Fällen der Lochdurchmesser bis zu mehrere zehntel Millimeter kleiner als der Durchmesser der Schneidmatrize. Zudem ist die Lochwand nicht exakt


zylindrisch, sondern leicht kegelförmig. Sind höhere Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Lochkontur zu erfüllen, scheidet dieses Verfahren un-ter Umständen aus.

Eine weitere Verfahrensvariante ist die Kombination aus den beiden oben erwähnten Methoden, das so genannte „Halb-Anschneiden des Werk-stücks und Zurückziehen des Schneidstempels“. Zunächst fährt der Schneidstempel nach innen und schneidet das Werkstück an. Anschließend fährt der Schneidstempel zurück; das Material wird durch den Schneidring getrennt. Durch diese Variante, die eine komplexe Steuerung erfordert, soll ein möglichst kleiner Schnittgrat bewirkt werden [131].

SchneidenDas Be- bzw. Abschneiden von Rohren im Hydro-Umformwerkzeug kann mit Hilfe einer eingebrachten Nut im Werkzeug erfolgen (vgl. Abb. 3.114.). Die Größe der Radien 1 und 2 sollte dabei so differenziert werden, dass sich der Trennvorgang auf eine Nutseite orientiert. Dies erfordert eine genaue Abstimmung der Einflussparameter wie z.B. Innendruck, Schneid-kantenradien, Wanddicke, Nuttiefe usw. [128].

FaxialFaxial

Radius 1Radius 2 Nut

pi

Abb. 3.114. Trennvorgang mittels Nut nach [128]

Eine weitere Verfahrensvariante ist das Schneiden mit doppelter Nut. Mit diesem Verfahren lassen sich mehrere Teile in einem Hydro-Umform-werkzeug herstellen, einseitige Verformungen im Bereich des größeren Radius können in einem Abfallteil vereint werden.

Für ein erfolgreiches Trennen ist die sichere Beherrschung möglicher Leckstellen erforderlich, damit der Innendruck trotz erster Materialtren-nungen aufrecht erhalten wird und ein vollständiger Schneidvorgang erfol-gen kann.


3.5.3.2 Tiefziehen, Prägen und Biegen

Tiefziehen / Innenhochdruck-Blechumformen (IHB) Eine Voraussetzung für das Innenhochdruck-Blechumformen unverschweiß-ter Doppelplatinen ist die Gewährleistung einer prozessangepassten Ab-dichtung der Platinen zueinander. Mit Erzeugung einer gemeinsamen Dichtkante kann der jeweilige Innendruckaufbau realisiert werden. Diese Vorgehensweise soll am Beispiel der Herstellung einer Modell-Motor-haube (bestehend aus Innen- und Außenteil) erläutert werden [83, 141].

In der ersten Phase des Umformprozesses werden beide Platinen mit Hilfe eines Stempels, der bereits die Kontur des Innenteils aufweist, tief-gezogen. Dadurch entsteht eine umlaufende Zarge. Entlang des Zargenran-des können nun beide Platinen zueinander abgedichtet werden. In der dar-auf folgenden Hydro-Umformphase wird die Geometrie des Innenteils durch einen entsprechenden Innendruck erzeugt und das Außenteil kali-briert (Abb. 3.115.).

Abdichtkante

FStempel FStempel

pi

Innenteil

Außenteil

Abb. 3.115. Realisierung einer gemeinsamen Abdichtkante

Auch das Innenhochdruck-Blechumformen unverschweißter Platinen, bei dem die Bleche ausschließlich mit Hilfe der aufgebrachten Schließkraft Fschließ abgedichtet werden, ist eine Kombination aus Tiefziehen mit an-schließendem Hydro-Umformen [76, 81].

Zum Erreichen einer optimalen Bauteilausformung wird in einer ersten Phase des Umformprozesses, der so genannten Füllphase, eine der finalen Bauteilgeometrie angepasste Vorformgebung angestrebt. Relativ geringe Schließkräfte sollen ein Einfließen des Werkstoffs in die Werkzeuggravur sowie eine Relativbewegung zwischen den Platinen ermöglichen. Der für die Vorformgebung erforderliche Innendruck pi setzt eine entsprechende Dichtheit des Werkzeugsystems voraus. Dieser Prozessschritt ist mit einer Tiefziehoperation vergleichbar, wobei der wirksame Innendruck die Funk-tion eines Stempels übernimmt. In einer zweiten Phase (Kalibrierphase) wird das Einfließen von Werkstoff aus dem Flanschbereich unter Verwen-dung größerer Schließkräfte vollständig unterdrückt. Unter maximalem In-nendruck pi max wird die Bauteilgeometrie auskalibriert. Dies entspricht ei-nem hydraulischen Tiefen (Abb. 3.116.).


Werkzeug geöffnet

Platinen einlegen

Werkzeug schließen Aufbau des Niederhalterdrucks, Füllen mit Druck-medium über Andocksystem, Umformung bei ge-ringem Innendruck, Werkstoff fließt in die Gravur (Tiefziehen), Relativbewegung zwischen den Plati-nen möglich

Werkzeug geschlossen Einfließen von Werkstoff absperren, Kalibrierung / Endformgebung mit hohem Innendruck, Verfah-rensintegration (z.B. Lochen)

pi variabel

Fschließ

pi max

Fschließ max

Abb. 3.116. Vorform- und Kalibrierphase beim Innenhochdruck-Blechumform-prozess (IHB)

Tiefziehen / Hydraulisches Tiefen Da der Werkstoff beim Tiefziehen im Bereich des Stempelbodens nur ge-ringen Formänderungen unterliegt, ist es möglich, mit Hilfe von Tiefungs-operationen im Bodenbereich Nebenformelemente herzustellen. Dabei kann zwischen „Tiefen in den Stempel“ und „Tiefen in die Matrize“ unter-schieden werden. Für die Realisierung dieser Formelemente bieten sich neben dem mechanischen Tiefen auch hydraulische Tiefungsoperationen an. Abbildung 3.117. zeigt den prinzipiellen Ablauf dieser Verfahrens-kombinationen.

In Untersuchungen [179, 180] wurde festgestellt, dass im Vergleich zur Verfahrenskombination „Tiefziehen / Mechanisches Tiefen“ bis zu 20% größere Ziehtiefen möglich sind. Weitere Effekte, die auf das hydraulische Tiefen zurückgeführt werden konnten, waren

− die Reduzierung der Rückfederung und somit die Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit sowie

− die geringere Beeinflussung der Bauteiloberfläche durch das wirkme-dienbasierte Umformverfahren.


Bauteil

Dichtung

Stempel

Niederhalter

p

pi

p

pi

Bauteil

Dichtung

Stempel

Niederhalter

Abb. 3.117. Verfahrenskombination „Tiefziehen / Hydraulisches Tiefen“

Auf Basis des hydraulischen Tiefens ist auch ein Ausformen von Ne-benformelementen im Bereich der Zarge des Tiefziehteils möglich [65]. In Abb. 3.118. ist der prinzipielle Verfahrensablauf dargestellt. Die Heraus-forderung besteht dabei in der Realisierung geeigneter Dichtungen zwi-schen den Werkzeugaktivelementen und dem Umformteil.

pi

FNiederhalterFNiederhalter

geteilter Matrizenring

Bauteil

Dichtung

Zarge

Niederhalter

p

Abb. 3.118. Ausformung von Nebenformelementen im Zargenbereich nach [65]

Außenhochdruck-Umformung / Prägen Eine Anwendungsgrenze wirkmedienbasierter Umformverfahren ist bei der Herstellung kleiner Radien und Formelemente gegeben. Hier sind oft Kalibrierdrücke von pi > 1.000 bar erforderlich. Bei großflächigen Bautei-len, die durch Hydro-Umformung von Blechen hergestellt werden sollen, müssen somit durch die Presse sehr große Schließkräfte aufgebracht wer-den, um das Zuhalten des Werkzeugs aufgrund des wirksamen Innen-drucks zu gewährleisten.

Da die zu erzeugenden Nebenformgeometrien oft örtlich begrenzt sind, muss über Strategien nachgedacht werden, die die Ausformung der Form-


elemente bzw. Radien bei technisch sinnvollen Innendrücken und somit vertretbaren Schließkräften ermöglichen.

Ein Ansatz ist es, den für die Ausformung erforderlichen Druck mit Hil-fe von elastischen Elementen nur in den Bereichen zu erzeugender Form-elemente aufzubringen [173]. In Abb. 3.119. wird dieses Prinzip am Bei-spiel eines Außenhochdruck-Blechumformprozesses erläutert.

Elastomerkissen

Nebenformelement

Abb. 3.119. Ausformung von Nebenformelementen mit Hilfe von Elastomerele-menten

In der ersten Phase des Umformprozesses erfolgt nur die Formgebung der Bauteil-Hauptgeometrie. Ist diese abgeschlossen, fährt der formgeben-de Stempel gegen ein entsprechend positioniertes Elastomerkissen, wo-durch letztendlich die Nebenformelemente geprägt werden.

Mit Hilfe dieser Verfahrenskombination können auch großflächige Blechformteile hergestellt werden. So wurde in diesem Zusammenhang z.B. ein Fahrzeugdach gefertigt, das ein umlaufendes Formelement auf-weist. Unter Verwendung elastischer Werkzeugelemente wurde die theore-tisch erforderliche Schließkraft von Fschließ = 200.000 kN (ohne Elastomer-elemente) auf Fschließ = 25.000 kN reduziert.

Hydraulisches Tiefen / Hydromechanisches Tiefziehen Die Verfahrenskombination „Hydraulisches Tiefen / Hydromechanisches Tiefziehen“ ist eine Weiterentwicklung des hydromechanischen Umfor-mens von Platinen. Dabei wird zu Beginn des Umformvorganges, vor dem Eindringen des Stempels, mit Hilfe einer hydraulischen Tiefungsoperation eine Vorform erzeugt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass im Vergleich zu konventionellen Ziehoperationen plastische Umformun-gen auch in der Mitte großflächiger Bauteile (z.B. Motorhauben, Dächer, etc.) realisiert werden können. Dadurch kann neben einer höheren Bauteil-steifigkeit und -festigkeit im gesamten Bauteil auch eine bessere Form- und Maßgenauigkeit gewährleistet werden. Die Vorformung der Platine kann dabei sowohl entgegen (vgl. Abb. 3.85.) als auch in Ziehrichtung er-folgen [46, 161, 163].

Realisierung von Umformoperationen während des Schließens des Werk-zeugsNeben der Integration zusätzlicher Umformoperationen in den Hauptform-gebungsprozess ist es auch möglich, z.B. Biege- oder Prägeoperationen in


den Schließvorgang des Umformwerkzeugs zu implementieren. So können Nebenformelemente im Flanschbereich oder Abkantungen ohne zusätzli-che Werkzeuge gefertigt werden, was zur Reduzierung der Prozessschritte und somit zur Senkung der Herstellkosten beitragen kann (s. Abb. 3.120.).

Biegen

Prägen

FStößel

pi

Abb. 3.120. Ausformung von Nebenformelementen im Flanschbereich

3.5.3.3 Fügen

Die ohnehin beachtlichen Potenziale bei der Herstellung komplexer Hohl-teile durch Hydro-Umformung können durch Verfahrensintegration we-sentlich gesteigert werden. Das bedeutet in einer Vielzahl von Fällen das Fügen von Anbauteilen.

Stand der Technik sind thermische Fügeverfahren. Meistens wird eine Verbindung im einseitigen Zugang durch konventionelles oder Laser-schweißen mit sehr großem bzw. mittlerem Energieeintrag realisiert.

Beim zangengeführten Punktschweißen ist ein zweiseitiger Zugang er-forderlich. Die Konstruktion der Bauteile muss auf die Zugänglichkeit zur Realisierung nachfolgender Fügeprozesse Rücksicht nehmen. Eine zusätz-liche Lochoperation ist i.d.R. notwendig.

Ein Sonderverfahren wird in [34] vorgestellt (Abb. 3.121.). Hier werden bei der Doppelplatinen-Hydroumformung für jedes Blech variable Ein-zugsgeschwindigkeiten zugelassen. Damit ist eine maximale Formenviel-falt möglich. Vor dem Kalibrierschritt beim Hydro-Umformen wird be-schnitten und die Einzelbleche werden verschweißt. Dadurch ist das Abdichten wesentlich einfacher möglich. Die Integration des kompletten Ablaufs in eine Anlage ist allerdings aufwändig.

Außer bei dem genannten Sonderverfahren sind bei thermischen Verfah-ren die hohen Genauigkeiten der Hydro-Umformtechnologie nicht aufrecht zu erhalten. Die Lösung dieser Problematik liegt in der Anwendung kalter Fügetechnik. Das ist durch Verfahrensintegration mit nachfolgendem oder parallelem Fügen möglich.


Andocksystem

Stützring

Niederhalter

Laser

Innengesenk

Bleche

Start Vorformen Beschneiden Laser-Schweißen Ausformen Einlegen zweier

Bleche - Verbindung mit

dem Andock-system

Schließen der Presse- Wirkmedium

wird unter hohem Druck zwischen die Bleche ge-presst

Scherschneiden - Vorbereiten

der Kanten für das Schweißen

Stirnflachnaht mit Nd:Yag-Laser - Dichten - Fügen der Bau-

teilhälften

Geringer Flanscheinzug - Ausformen

der Ecken - Reduzierung

des Schweiß-verzugs

Abb. 3.121. Integriertes Schweißen im Hydro-Umformprozess nach [34]

Verfahrensintegration Hydro-Umformung mit nachfolgendem Fügen Bei dieser Variante kann der Werkzeugzugang ein- oder beidseitig reali-siert werden. Der notwendige Zugang zu beiden Seiten der Fügestelle setzt aber z.B. bei Rohrhalbzeugen im Fall der Unzugänglichkeit von den Stirn-seiten eine Vorlochoperation gegenüber der Fügestelle voraus, um Füge-verfahren wie Punktschweißen, Clinchen oder Stanznieten anwenden zu können. Deshalb sind die nachfolgend aufgeführten Verfahren mit einsei-tigem Zugang wegen des geringeren Vorbearbeitungsaufwandes interes-santer, wobei hier unterschieden werden muss, ob an der Fügestelle selbst mit oder ohne Vorloch zu arbeiten ist (s. Tabelle 3.10.):

Tabelle 3.10. Verbindung Hydro-Umformung mit nachfolgendem Fügen (jeweils mit einseitigem Zugang)

Verfahren mit Vorloch an der Fügestelle

Verfahren ohne Vorloch an der Fügestelle

− Gewinde formende Schrauben (Durchzüge sind im Hydro-Umformprozess realisierbar)

− Blindniete

− Spezial-Blindniet (Abb. 3.122.) − Fließlochschrauben − Loch und Gewinde formende

Schrauben (Abb. 3.123. und Abb. 3.124.)


Faxial

Rotation

Faxial

Rotation

Faxial

Faxial durch Setzkopf

Faxial durch Setzkopf

Faxial

Rotation

Bauteil 1

Bauteil 2

Dornkopf

Sollbruchstelle

Blindniethülse

Restnietdorn

Wärmeeintrag durch Rotation und Faxial

A B

C D

E

Abb. 3.122. Konzept der Verfahrenskombination Fließlochformen / Blindnieten nach [16]

Schritt 1Ober- und Unterblech im IHU-Werkzeug Innendruck pi = 0

Schritt 2 Aufbau eines Innendrucks pi,Unterblech liegt an oberem Blech an

Schritt 3Innendruck pi wird reduziert, Einschrauben der Pentaflow-Schraube

Schritt 4 Dichtheitsprüfung mit unterschiedlich hohen Drücken

pi

Abb. 3.123. Schritte einer Hydro-Fügeverbindung mit kalt formenden Schrauben nach [48]


Abb. 3.124. Querschnitt durch eine Hydro-Fügeverbindung (2 x 1,5 mm Alumini-um) einer kalt formenden Schraube mit Dichtheit bis 300 bar

Die hier hauptsächlich infrage kommenden umformenden Verfahren haben gegenüber den Schweißverfahren den zusätzlichen Vorteil, dass Oberflächenschäden vermieden werden (bessere Dauer- und Korrosions-festigkeit) und Mischverbindungen realisierbar sind.

Verfahrensintegration Fügen parallel zur Hydro-Umformung Bei dieser Variante werden Prozessschritte eingespart. Die Fügeoperation wird ohne Verlängerung der Prozesszeit während des Kalibrierens durch-geführt, und neuartige Verbindungen werden in komplexen Baugruppen auch an unzugänglichen Stellen möglich. Dazu vier Beispiele:

Beispiel 1: Gebaute Nockenwelle In der Vergangenheit war das Bauteildesign einer Nockenwelle durch die Verwendung einer massiven Welle gekennzeichnet, die entweder spanend oder mit Hilfe von Schmiede- bzw. Gießverfahren hergestellt wurde. Durch diese Bauteilauslegung war die Herstellung sehr werkstoff- und masseintensiv. Gebaute Nockenwellen, bei denen rohrförmige Halbzeuge zur Anwendung kommen (s.a. Abschn. 3.3.2.4), bieten ein erhebliches Einsparungspotenzial. Dabei wird eine Ausformung der Welle angestrebt, die den Einsatz gewichtsoptimierter Nocken ermöglicht. Das bedeutet, dass einerseits die Ausformung der Hohlwellenform und andererseits die kraft- und formschlüssige Verbindung der Nocken mit der ausgeformten Hohlwelle durch IHU-Technologie realisiert wird (Abb. 3.125.).

Hohlwelle

Nocken

Abb. 3.125. Gebaute Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformung


Beispiel 2: Flächige Verbindung Rohr-ScharnierDas zweite Beispiel zeigt das gleiche Prinzip: Aufweiten eines rohrförmi-gen Halbzeugs mit Anformen eines Aluminiumprofils an einen Stahl-scharnierrahmen durch Innenhochdruck-Umformen (Abb. 3.126.).

IHU-Werkzeug

Verstärkung

VerstärkungProfil

Profil pi

Abb. 3.126. Kraft- und formschlüssiges Fügen von Bauteilkomponenten

Beispiel 3: Flächige Verbindung Rohr-Rohr In Abb. 3.127. ist der prinzipielle Verfahrensablauf für eine Rohr-Rohr-Verbindung gezeigt.

Abb. 3.127. Prinzipieller Verfahrensablauf für eine Rohr-Rohr-Verbindung (links: Anfangszustand; rechts: Endzustand)

Beispiel 4: Punktförmige Verbindungen „Hydrostanznieten“ und „Hydroclinchen“Das Nutzen des Druckmediums als aktive Komponente bildet die Grund-lage für die Entwicklung punktförmiger Verbindungsverfahren.

Beim Hydrostanznieten wird das für die Umformung eingesetzte Druck-medium als Matrizenersatz für das bekannte Fügeverfahren Stanznieten mit Halbhohlniet eingesetzt. Das mit hohem Druck beaufschlagte Medium wirkt der Einformung des Halbhohlstanznietes durch einen Fügestempel entgegen, wodurch ein Aufspreizen des Nietes realisiert wird (Abb. 3.128.).

Um möglichst niedrige Innendrücke zu realisieren, kann zur Verringe-rung der erforderlichen Fügekraft dem axialen Stempelhub eine Taumel-bewegung überlagert werden. Solche Verfahren benötigen zur Gesamtbe-schreibung große experimentelle Aufwendungen (z.B. zur Nietentwicklung). Eine numerische Modellierung des Prozesses ist hervor-ragend geeignet, Zeit und Kosten zu sparen (Abb. 3.129.).


Abb. 3.128. Detail eines Schnittes durch eine Hydrostanznietverbindung – oben: Anbauteil; unten: Hydro-Umformteil; Mitte Stanzniet (links: Experiment; rechts: Rechnung)

Abb. 3.129. Axialspannungsverteilung bei abwälzender Stempelkinematik

Beim Hydroclinchen ist das Fluid ebenfalls aktiv an der Umformung im Bereich der Fügestelle beteiligt. Unter Wirkung des Hochdruckfluids wird Werkstoff aus dem Hydro-Umformteil durch ein im zu fügenden Anbauteil befindliches Loch zu einem Dom geformt. Ein Gegenstempel verhindert die freie Ausformung und wird definiert zurückgezogen. Anschließend wird der Dom vom Gegenstempel in Richtung des Hochdruckmediums zu-rückgeformt (Abb. 3.130.). Der Werkstoff bildet an der Lochkante des an-zufügenden Bauteils eine Hinterschneidung als kraft- und formschlüssige Verbindung.


Abb. 3.130. Schnitt durch einen Hydroclinchpunkt mit aktiver Stempelbewegung (grau: Hydro-Umformteil aus Aluminium; dunkel: Anbauteil aus Stahl)

Unterstützt von der Lochanfasung des Anbauteils kann sich dieser Hin-terschnitt auch ohne aktive Stempelbewegung herausbilden (Abb. 3.131.).

Abb. 3.131. Gegenüberstellung Experiment (links) und Rechnung (rechts) ohne aktive Stempelbewegung [70]

Eine große Einschränkung für die Anwendung des Hydroclinchens stellt die notwendige Kollisionsfreiheit dar. In Abb. 3.132. ist ein Beispiel für ein Anbauteil an einem Hydro-Umformbauteil gezeigt. Das sichere Positi-onieren der Teile im IHU-Werkzeug, das Werkzeugschließen und -öffnen und das Endformen verlangen bei Standard-Hydro-Umformwerkzeugen, die ohne aufwändige Schiebermechanismen gebaut sind, eine Eingrenzung der im Raum stehenden Funktionsfläche des Anbauteils auf die horizontale Trennebene und/oder die meist senkrecht dazu liegende vertikale Stößel-bewegungsebene.

3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung 141

Abb. 3.132. Anwendungsbeispiel Anbauteil an einem Hydro-Umformbauteil; die Funktionsfläche des Anbauteils liegt in der vertikalen Stößelbewegungsebene [70]

3.6 Bedeutung der FEM-Simulation für die Prozessoptimierung

3.6.1 Einsatzfelder und Systeme

In den letzten Jahren wurden verschiedene Hydro-Umformverfahren zu ef-fizienten Serientechnologien weiterentwickelt. Möglich wurde dies im Wesentlichen durch den erfolgreichen Einsatz der Prozesssimulation mit Hilfe der Finite-Element-Methode. Die auf der Finite-Element-Methode basierenden Simulationen ermöglichen sowohl Aussagen über den Um-formprozess vor seiner realen Durchführung als auch ein deutlich verbes-sertes Verständnis der komplexen Prozesse und Zusammenhänge. Somit wird die Optimierung der Werkzeuggeometrien und Prozessparameter er-möglicht. Die Rahmenbedingungen industrieller Fertigungen verlangen in zunehmendem Maße eine schnelle und zuverlässige Entwicklung der Blechumformwerkzeuge bei gleichzeitiger Reduzierung der Zahl der Um-formstufen. Die vermehrte Zahl neuer Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften, die zunehmende Komplexität der Blechformteile und die steigenden Anforderungen an deren Form- und Maßgenauigkeit infolge der automatisierten Fertigung und Montage verschärfen die Problematik. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Einsatz von Simula-tionen unverzichtbar. Der Einsatz dieser Techniken führt zur Vermeidung von Fehlern und Versagenserscheinungen sowie zur Optimierung der ge-samten Fertigungsprozesskette. Nicht zuletzt wegen der großen Einsparpo-


tenziale bei der Auslegung und Erprobung von Blechumformprozessen entstand eine Vielzahl kommerzieller Finite Element Programme, die sich zu leistungsfähigen Programmsystemen entwickelt haben. Tabelle 3.11. enthält einen Auszug aus dem Spektrum kommerziell verfügbarer Finite-Element-Programme zur Blechumformsimulation und deren Anwendungs-gebiete.

Tabelle 3.11. Auszug aus dem Spektrum kommerziell verfügbarer Finite-Element-Programme zur Blechumformsimulation

FEM-Programm

Entwickler Typ Anwendung

ABAQUS standard

HKS (USA) implizit Allgemein, nichtlinear

ABAQUS explizit

HKS (USA) explizit Crash-, Massiv-, Blechumformung

AutoForm implizit

AutoForm (CH) implizit Blechumformung

AutoForm one-step

AutoForm (CH) Einschrittverfahren Blechumformung

FastForm FTI (CAN) Einschrittverfahren Blechumformung ICEM-STAMP Control Data (D) Einschrittverfahren Blechumformung INDEED Inpro (D) implizit Blechumformung ISO-PUNCH SOLLAC (F) Einschrittverfahren Blechumformung ITAS3D Prof. Nakamachi

(J)Statisch explizit Blechumformung

LS-DYNA LSTC (USA) Dynamisch explizit Crash-, Massiv-, Blechumformung

MARC MARC (USA) implizit Allgemein, nichtlinear OPTRIS ESI (F) Dynamisch explizit Blechumformung PAM-STAMP ESI (F) Dynamisch explizit Blechumformung SIMEX2 SimTech (F) Einschrittverfahren Blechumformung

Eine Spezifik der Blechumformsimulation ist das prinzipiell auftretende elastisch-plastische Materialverhalten. Hierdurch wird die Möglichkeit insbesondere rechenzeiteinsparender, vereinfachender Annahmen deutlich eingeschränkt. Zusätzlich besitzen die Halbzeuge (Bleche, Rohre, Profile) herstellungsbedingt i.d.R. eine merkliche plastische Anfangsanisotropie, die in der Prozessauslegung nicht vernachlässigt werden darf. Dies und das breite Spektrum der auftretenden Verfestigungsmechanismen kann mit den in der Umformtechnik gern verwendeten klassischen Lösungsverfahren der Plastomechanik nicht mit hinreichender Genauigkeit berücksichtigt wer-den, so dass diese auf anderen Gebieten immer noch erfolgreichen klassi-schen Methoden bei der Auslegung von Blechumformprozessen kaum mehr eine Rolle spielen. Die Theorie der Plastizität bei großen Deforma-


tionen und die modernen Verfahren der numerischen Analysis und numeri-schen Algebra, wie sie bei der erfolgreichen numerischen Behandlung der komplexen Prozesse bei der Blechumformung zum Einsatz kommen, wür-den selbst in einer andeutungsweisen Darstellung den Rahmen dieses Bu-ches sprengen, so dass diesbezüglich auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird [14, 165, 186, 188, 189].

3.6.2 Derzeitiger Stand und erreichte Ergebnisse

Nichtlineare Finite-Element-Methoden haben eine Reihe verschiedener Wurzeln. Kurz nachdem die FEM durch eine Arbeit von Turner, Clough, Martin und Topp (1956) [178] bekannt wurde, begannen an verschiedenen Einrichtungen Untersuchungen zur Erweiterung dieser Methode auf physi-kalisch nichtlineare Aufgabenstellungen. Als Persönlichkeiten auf dem Gebiet der frühen kommerziellen FEM-Programme sind neben Argyris, Marcal und Swanson insbesondere David Hibbitt und Klaus-Jürgen Bathe zu nennen. Hibbitt arbeitete bis 1972 mit Pedro Marcal zusammen und gründete dann die Firma HKS, die ABAQUS auf den Markt brachte. ABAQUS war das erste Programm, das die Möglichkeit der Einbindung vom Anwender entwickelter Element- und Materialroutinen anbot.

Bis ungefähr 1990 lag der Schwerpunkt der kommerziellen FEM-Programme auf der Lösung statischer und dynamischer Probleme mit im-pliziten Methoden. Ein anderer Zweig moderner nichtlinearer Software sind die expliziten FEM-Programme. Diese Arbeiten wurden stark von den von Wilkins (1964) [185] entwickelten „Hydro-Codes“ beeinflusst. 1964 wurde von Costantino [25] das vermutlich erste explizite FEM-Programm entwickelt. Dieses Programm beschränkte sich noch auf lineares Material-verhalten und kleine Deformationen. Parallel zu den Weiterentwicklungen dieser Codes stellte Sam Key [56] 1975 HONDO fertig. Dieses Programm berücksichtigte sowohl stoffliche als auch geometrische Nichtlinearitäten. Frei verfügbar war allerdings erst die von Dennis Flanaghan unter dem Namen PRONTO entwickelte Version. Einen Meilenstein auf dem Gebiet der expliziten FEM-Programme stellen die von John Hallquist 1976 fertig-gestellten DYNA-Codes dar. Der Schlüssel für den Erfolg dieser Pro-gramme liegt in einem hohen Maße in den implementierten Kontaktalgo-rithmen. Die erste kommerzielle Version wurde in den 80er Jahren von der französischen Firma ESI unter dem Namen PAM-CRASH angeboten. Seit 1989 bietet John Hallquist mit LS-DYNA eine eigene kommerzielle Ver-sion der DYNA-Codes an.

Der drastische Preisverfall der Hardware und die Robustheit der explizi-ten Programme haben in den letzten Jahrzehnten die Tätigkeit des Kon-


strukteurs dramatisch revolutioniert. Erste industrielle Anwendungen gab es in der Crash-Simulation in der Automobilindustrie. Heute sind FEM-Programme in allen Produktionszweigen im Einsatz. Die Simulation des gesamten Spektrums der Umformprozesse einschließlich des Innenhoch-druck-Umformprozesses kann inzwischen standardisiert eingesetzt wer-den, um bereits während der Werkzeugkonstruktion die versagensfreie Herstellbarkeit der Formteile zu gewährleisten. Derzeit gibt es wieder in-tensivere Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der impliziten Programme, die trotz ihrer potentiell höheren Genauigkeit bezüglich der numerischen Stabilität, insbesondere der Kontaktalgorithmen, nicht durchgängig mit den expliziten FEM-Programmen konkurrieren können.

3.6.3 Handlungsbedarf und Entwicklungspotenzial

Die numerischen Simulationstechniken stehen vor den sich nahezu aus-schließenden Forderungen nach Erhöhung der Genauigkeit der Ergebnisse und drastischer Reduktion der Rechenzeit. Kürzere Rechenzeiten werden allerdings oft durch Ansatz von deutlich vereinfachenden Annahmen (z.B. Einsatz von speziellen Membran-Elementen in AutoForm) erreicht, womit die Erwartungen an die Genauigkeit der Ergebnisse erheblich reduziert werden müssen. Eine noch drastischere Einschränkung stellen die Ein-schrittverfahren (z.B. AutoForm one-step, FastForm, ICEM-STAMP, ISO-PUNCH, SIMEX2) dar. Hier wird auch auf die Befriedigung des Kräfte-gleichgewichts verzichtet und ausschließlich die Kenntnis von Ausgangs- und Endgeometrie zur näherungsweisen Bestimmung von Deformationen, Spannungen und internen Parametern herangezogen. Dennoch werden die-se Systeme heute häufig für eine erste Abschätzung der Umformbarkeit, zur Bestimmung des Zuschnitts oder zur Abschätzung der Kräftebilanz er-folgreich angewendet. Für die exaktere Ermittlung der finalen Ziehanlage und der Prozessparameter sowie des Rückfederungsverhaltens kommen je-doch meist zusätzlich die Systeme PAM-STAMP oder LS-DYNA zum Einsatz. In einigen Unternehmen hat auch das von einem Firmenkonsorti-um entwickelte System INDEED einen begrenzten Anwendungsbereich erhalten.

Bezüglich der verfügbaren Werkstoffmodelle und der Möglichkeit, über USER-Schnittstellen zusätzliche Materialeigenschaften zu implementieren, ist ein Stand erreicht, der den hohen Genauigkeitsanforderungen durchaus entgegenkommt. Hier liegt der Handlungsbedarf derzeit eher bei den Prüf-labors, denn eine Identifikation von Werkstoffmodell und dazugehörigen Parametern ist z.B. für komplexeres Verfestigungsverhalten bisher noch nicht befriedigend gelöst.


Großes Potenzial liegt im Einsatz moderner Entwicklungen auf dem Gebiet der numerischen Mathematik in den FEM-Programmen. Insbeson-dere bei den impliziten Codes besteht im Vergleich zu den expliziten Pro-grammen noch ein Defizit bezüglich der Unempfindlichkeit gegenüber numerischen Instabilitäten insbesondere im Kontaktalgorithmus sowie der Rechenzeit. Trotz der höheren erreichbaren Genauigkeit der Lösung und der besseren theoretischen Durchdringung, insbesondere der Problematik nichtlinearen Materialverhaltens bei großen Deformationen, dominiert in der industriellen Praxis nicht der Zugang über implizite Programme. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der iterativen Lösung linearer Gleichungs-systeme und der adaptiven FEM in Verbindung mit moderneren Kontakt-algorithmen geben Grund zur Hoffnung, dass sich ein Trend zur paritäti-schen Koexistenz beider Zugänge einstellen wird.

Ein deutlicher Handlungsbedarf wird von vielen Seiten auch auf dem Gebiet der Rückfederung gesehen. Insbesondere Vorformoperationen wie z.B. das Biegen von Rohren und Profilen für das Innenhochdruck-Umformen werden davon tangiert. Hier liegt das Problem allerdings nicht unmittelbar bei den zum Einsatz gebrachten numerischen Methoden, son-dern primär bei den zur Modellierung genutzten Materialmodellen und auch in der Qualität der Abbildung des realen Prozesses. Im Gegensatz zum reinen Innenhochdruck-Umformen oder Tiefziehen wird die Endgeo-metrie auch nicht nahezu ausschließlich durch die Geometrie der Werk-zeuge bestimmt. Beim freien Umformen kommt die gesamte Komplexität der Wechselwirkung von Prozess und Werkstoff zum Tragen, so dass hier die Genauigkeit das primäre Kriterium sein sollte. Dies steht allerdings auf Grund der deutlich höheren Rechenzeiten und auch des extremen Aufwan-des bei der Klärung des Materialverhaltens im diametralen Gegensatz zu den Anforderungen aus der industriellen Praxis. Die Simulation der Rück-federung sowie deren rechnergestützte Kompensation befindet sich daher erst im Aufbau. Die Ergebnisse sind jedoch zumindest als Ausgangsdaten für eine rechnergestützte Modifikation der Werkzeugwirkflächen hilfreich.

Ein Ausweg kann vermutlich nur im Einsatz deutlich schnellerer Re-chentechnik (z.B. Workstation-Cluster) und moderner numerischer Algo-rithmen liegen, die allerdings bisher nur wenig Eingang in kommerzielle FEM-Programme gefunden haben.

Einen wichtigen Beitrag zur Visualisierung von Berechnungsergebnis-sen in der Praxis des Umformprozesses zu leisten, ist eine zukünftige Auf-gabe der Virtuellen Realität (VR). Die Virtuelle Realität bietet vor allem für die Nachbearbeitung von Simulationsdaten eine Form der Visualisie-rung, wie man sie vom herkömmlichen Postprocessing nicht kennt. Es sind zwei unterschiedliche Anwendungsfälle denkbar. Zum einen ist es mög-lich, den Optimierungsprozess für den FEM-Fachmann durch Fehlerver-


meidung zu beschleunigen, zum anderen ist die Präsentation von Varianten und der endgültigen Version vor einem Nichtfachpublikum in effizienter Weise möglich. Es können unterschiedliche Visualisierungseinrichtungen eingesetzt werden, die sich in Anschaffungskosten, Bedienungsaufwand, Platzbedarf und Immersionsgrad4 unterscheiden. Bei Größenordnungen bis zu etwa 1 m Kantenlänge der zu visualisierenden Modelle sind bereits kleinräumige, einfach zu bedienende Anlagen wie zum Beispiel eine Workbench (Abb. 3.133.) oder Powerwall hervorragend geeignet. Sie er-möglichen mehreren Bearbeitern, am Visualisierungsprozess teilzuneh-men. Dafür ist es erforderlich, die Simulationsergebnisse mit einer speziel-len Software vorzubereiten, um die oft sehr komplexen Ergebnisse in der gewünschten Weise darzustellen. Je nach verwendeter FEM-Software können die Ergebnisse zeitgleich oder auch nacheinander durch Einfär-bung der finiten Elemente gezeigt werden.

Abb. 3.133. Visualisierung der Umformung eines Querträgers an einer 2-Seiten-Projektion (L-Bench)

Ergänzend gibt es durch die Software Möglichkeiten, mit den Modellen zu interagieren. So lassen sich Schnittebenen durch das Modell legen, zeit-abhängige Prozesse können in ihrem Ablauf gezeigt und Geometrien der 4 Der Immersionsgrad (einheitenlos) beschreibt das Gefühl des Betrachters, wie

gut er sich in die virtuelle Welt einbezogen fühlt.

3.7 Qualitätssicherung 147

übrigen Konstruktionsdetails ergänzt werden. Weiterhin können die aus dem klassischen Postprocessing bekannten Isoflächen (Farbdarstellungen), Vektorfelder und Tracer-Darstellungen (z.B. Fluidströmungen) benutzt werden. In der Auswertung werden sowohl manuell strukturierte als auch automatisch generierte FE-Netze unterstützt.

Eine dem Konstruieren sehr entgegenkommende Arbeitsweise ist der Vorteil der räumlichen Darstellung der Modelle im Maßstab 1:1. Da das Postprocessing der Daten nun in den dreidimensionalen Raum verlegt wird, sind „Problemzonen“ komplizierter Details kein Hindernis mehr. Die Virtuelle Realität bietet auch eine neue Qualität des weltweit kooperieren-den Arbeitens, dem Computer Supported Cooperative Work, kurz CSCW. Somit schrumpfen Entfernungen zwischen Entwicklern und Anwendern auf ein Minimum. Vorteilhaft ist auch, dass durch CSCW von deutlich mehr Beteiligten eine Beurteilung der Ergebnisse erfolgen kann – eine ge-wisse Netzdichte an VR-Einrichtungen vorausgesetzt.

Derzeitige Hindernisse für die industrielle Nutzung der VR sind die Softwareschnittstellen sowie die fehlende Möglichkeit der Einflussnahme auf Randbedingungen und Prozessparameter zur Laufzeit der Visualisie-rung. Eine Zeiteinsparung im Simulationsprozess sollte das Ziel der An-wendung der VR sein. Für die Realisierung und Parallelisierung der Be-rechnungen ist aber noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten.

Häufig stehen dem Wunsch der dreidimensionalen, interaktiven Visuali-sierung finanzielle Hindernisse entgegen. Hier wird sich in der Zukunft je-doch viel ändern, da von einer weiteren Reduzierung der Hardwarekosten auszugehen ist. Aber auch die Software ist ein Kostenfaktor, der zusam-men mit der Wartung der Anlage in die Wirtschaftlichkeitsberechnung eingeht. Daher wird die Entscheidung zu Gunsten des Einsatzes der VR nur fallen, wenn das Kosten/Nutzen-Verhältnis den Bedingungen des in-dustriellen Einsatzes genügt. Softwarehersteller sind aufgerufen, modulare, kundenspezifische Software zu entwickeln, die den Kunden ein noch ef-fektiveres Arbeiten ermöglichen, besonders im Zusammenhang mit Virtu-eller Realität.

3.7 Qualitätssicherung

3.7.1 Erreichbare Genauigkeiten

Zur Bewertung der Genauigkeit ist stets der gesamte Fertigungsprozess zu betrachten. Die Hydro-Umformung spielt zwar eine wichtige Rolle, aber sie kann nicht losgelöst vom Gesamtprozess betrachtet werden. Vor und nach dem eigentlichen Innenhochdruck-Umformprozess sind Fertigungs-


operationen erforderlich, um das Endprodukt herzustellen. So werden bei-spielsweise Biegeoperationen vor der Innenhochdruck-Umformung durch-geführt. Diese wirken sich auf die Werkstoffeigenschaften aus (Kalt-verfestigung) und haben damit Einfluss auf das im Hauptumformprozess zur Verfügung stehende Restformänderungsvermögen. Weiterhin ist auch die Maßhaltigkeit dieser vorgelagerten Arbeitsschritte für die spätere Ge-nauigkeit des Fertigteils von Bedeutung.

Bezüglich der Maßabweichungen zur Bewertung der Qualität muss das Bauteil hinsichtlich seiner Übereinstimmung mit der Maßvorgabe, also der Konstruktionszeichnung (Abformgenauigkeit) und der erreichbaren Tole-ranzen (Reproduzierbarkeit), betrachtet werden. Hierbei wird zwischen Querschnitts- und Formliniengenauigkeit unterschieden. Abhängig vom konkreten Einsatzfall des Bauteils ist eines dieser Kriterien oder es sind beide von funktioneller Bedeutung. Werden zusätzliche Umformschritte durchgeführt (z.B. Einbringen von Lochungen), sind diese Geometrien u.U. ebenfalls zu kontrollieren. Aufgrund dieser Komplexität sind allge-meingültige Angaben über erreichbare Genauigkeiten bei IHU-Teilen nur schwer möglich.

Die Fertigteilgenauigkeit im eigentlichen IHU-Prozess wird durch eine Reihe von Einflussgrößen bestimmt [66, 168]:

− Güte des IHU-Werkzeugs − Genauigkeit der Umformmaschine − Werkstoff und Abmessungen (Toleranzen) des Halbzeugs − Komplexität der Geometrie des Fertigteils − Parameter des IHU-Prozesses

Die Haupteinflüsse werden kurz erläutert: Die Güte des Werkzeugs ist eine entscheidende Voraussetzung für die

Fertigung qualitätsgerechter Endprodukte. Dabei kommt der Maßhaltigkeit und der genauen Positionierung der Formeinsätze eine entscheidende Be-deutung zu. Des Weiteren ist eine ausreichende Werkzeugsteifigkeit eine unabdingbare Eigenschaft, um die Auffederung der Werkzeugelemente trotz hoher Innendrücke möglichst gering zu halten. Die Werkzeuggrund-körper sollten deshalb entsprechend großzügig dimensioniert werden. Zu schwach ausgelegte Werkzeuge führen durch ihr elastisches Verhalten un-ter den eingesetzten hohen Kalibrierdrücken zu einer Verschlechterung der Maßhaltigkeit des Bauteils und verursachen die bei IHU-Bauteilen uner-wünschte Gratbildung [39]. Im Extremfall ist auch Werkzeugbruch mög-lich.

Die Zuhaltevorrichtung der Umformmaschine hat einen qualitätsbe-stimmenden Einfluss auf das Fertigteil. Wegen des Auftretens großer Bau-


teilinnendrücke sind nur solche hydraulische Pressen für die Innenhoch-druck-Umformung geeignet, die große Steifigkeiten aufweisen. Besonders während der Kalibrierphase treten große Drücke auf, die zu starken Biege-belastungen von Tisch und Stößel führen. Kommt es hierbei zu einer Durchbiegung, sind Formabweichungen der Bauteile zu erwarten.

Für die Genauigkeit des Fertigteils sind die Maßhaltigkeit des Halb-zeugs oder der Vorform und die mechanischen Kennwerte des Werkstoffs von Bedeutung. Besonderen Einfluss haben dabei Maßtoleranzen des Halbzeugs, z.B. große Wanddickentoleranzen. Bereits die in den Halb-zeugspezifikationen [102, Teil 2 und 3] zugelassenen Toleranzen können im IHU-Prozess u.U. zu Qualitätsschwankungen führen. Bei Rohren kann der Bereich der Schweißnaht sehr kritisch sein.

Die Kompliziertheit der Fertigteilgeometrie hat ebenfalls Auswirkungen auf die erreichbaren Genauigkeiten. Dabei haben vorgelagerte Prozesse ei-ne große Bedeutung. Durch vorherige Umformprozesse werden Form, Wanddickenverteilung und Formänderungsverteilung der Halbzeuge be-einflusst. Treten hierbei Inhomogenitäten auf, kann sich dies negativ auf den IHU-Prozess auswirken.

Die Wahl geeigneter Verfahrensparameter ist ebenfalls Voraussetzung für die Herstellung maßhaltiger IHU-Teile. Die Steuerung der Prozesspa-rameter (z.B. Wirkmedien-Innendruck pi und Axialstempelweg saxial) ist so auszulegen, dass eine möglichst homogene Formänderungsverteilung erzielt wird. Aus dem Arbeitsdiagramm der Innenhochdruck-Umformung (s. Abb. 3.54, Abschn. 3.3.2.3) ist der optimale Arbeitsbereich zu ersehen (Prozessfenster). Außerhalb dieses Bereiches ist mit größeren Maßabwei-chungen bzw. mit Versagensfällen zu rechnen. Wird durch die Prozessfüh-rung in allen Bereichen des Werkstücks eine ausreichende Plastifizierung erreicht, tritt bei Stahlwerkstoffen eine deutliche Reduzierung, oftmals so-gar eine Eliminierung der Rückfederung auf, die wiederum zur Verbesse-rung der Maßhaltigkeit beiträgt [39].

Im Vergleich zu konventionellen Blechumformverfahren können mit der wirkmedienbasierten Umformtechnik eine bessere Form- und Maßhal-tigkeit sowie eine höhere Bauteilsteifigkeit erzielt werden [49, 75]. Dies resultiert daraus, dass zumindest in der ersten Prozessphase – der freien Aufweitphase, in der das Werkstück weitgehend ohne Werkzeugkontakt umgeformt wird, – ein gleichmäßiger Umformprozess abläuft, der auch zu einer gleichmäßigeren Formänderungsverteilung im Bauteil führt. Bei kor-rekter Prozessführung sind Maßgenauigkeiten der Außenkontur für werk-zeuggebundene Maße im Bereich IT 12 bis IT 14, in Sonderfällen IT 10 möglich. Die Teilinnenkontur ist kaum exakt vorherbestimmbar und nur begrenzt zu beeinflussen [66].


Die Rauheit der Oberflächen von Fertigteilen wird durch die Rauheit der Halbzeuge und die Oberflächenstruktur der Werkzeugaktivteile bestimmt. Durch den IHU-Prozess ist eine Zunahme der Rauheit zu verzeichnen. Dies tritt besonders an Teilen mit freier Aufweitphase während des Um-formens auf [58].

3.7.2 Mess- und Prüftechnik

Zur Fertigung qualitätsgerechter IHU-Bauteile ist während jeder Prozess-stufe eine Vielzahl von Eigenschaften am Bauteil zu überprüfen. Dies be-deutet, dass Messungen nicht nur am Fertigteil, sondern auch am Aus-gangsmaterial (Halbzeug) und nach Prozesszwischenstufen notwendig sind.

Die Güte der Werkzeuge ist eine entscheidende Voraussetzung für die Herstellung fehlerfreier Endprodukte. Vor dem Produktionsstart ist nach-zuweisen, dass die Werkzeuge geeignet sind, die geforderten Qualitäts-merkmale der Fertigteile zu garantieren. Die Werkzeugfertigung ist daher mit geeigneter Mess- und Prüftechnik zu überwachen. Diese Problematik soll hier nicht betrachtet werden. Spezielle Messsensorik, die zur Prozess-überwachung dient, wird im Hauptabschn. 3.7.4 vorgestellt.

Die entscheidende Voraussetzung für die Herstellung qualitätsgerechter Fertigteile sind Halbzeuge mit Werkstoffeigenschaften, die den Anforde-rungen der Hydro-Umformung genügen. Vom Anwender werden spezielle Kombinationen aus Festigkeit und guter Umformbarkeit gefordert. Neben diesen reinen Materialeigenschaften sind Eigenschaften wie Wanddicke, prozesssicher verschweißte Rohre, einwandfreie Oberflächengüte ohne Riefen und Kratzer sowie exakte Länge gemäß Vorgabe und Toleranz be-sonders wichtig.

Zur Bewertung von Rohren, die als Halbzeuge für die IHU verwendet werden, stehen zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren zur Verfügung. Derzeit werden zur Prüfung meist klassische Prüfverfahren eingesetzt. Diese Verfahren sind standardisiert und relativ schnell und einfach durch-führbar. Sie haben aber nur eine begrenzte Aussagekraft, um das Umform-verhalten von Rohren zu beschreiben. Um exaktere Kennwerte zur Be-schreibung des Umformverhaltens von Rohren zu ermitteln, wurden spezielle Verfahren entwickelt.

Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Werkstoffkennwerte am ebenen Blech ist der einachsige Zugversuch [96]. Die Prüfung erfolgt auf Zug-Druck-Prüfmaschinen, bei denen die Kraftmessung mittels Kraft-messdose und die Längenmessung mittels Extensometer erfolgt. Diese Me-thode liefert jedoch nicht in jedem Fall ausreichende Informationen, da sie


weder die Geometrie der Halbzeuge noch ihr umformspezifisches Herstel-lungsverfahren sowie die beim IHU auftretenden typischen Spannungszu-stände berücksichtigt. Aus diesem Grund werden die Zugproben zur Ver-besserung der Aussagekraft aus dem Rohr heraus getrennt. Für eine richtungsabhängige Kennwertermittlung sind die Proben parallel oder quer zur Rohrlängsachse zu entnehmen. Die Prüfung erfolgt analog dem ein-achsigen Zugversuch. Um die Güte der Schweißnaht zu überprüfen, ist es möglich, Zugproben mit Schweißnaht zu testen. Dabei kann die Schweiß-naht in der Probe längs, quer oder schräg zur Zugrichtung verlaufen. Auch diese Vorgehensweise hat eingeschränkte Aussagekraft, da bei der Pro-benherstellung z.B. durch Rückbiegung der Rohrkrümmung eine Beein-flussung der Materialeigenschaften erfolgt. Mit diesem Verfahren können die folgenden Kennwerte ermittelt werden: Streckgrenze Re, Zugfestigkeit Rm, Gleichmaßdehnung Agl, Bruchdehnung A80, Anisotropiewert r, Ver-festigungsexponent n sowie Fließkurve und E-Modul.

Zur Bestimmung des Härteverlaufs in Umfangs- und Längsrichtung des Rohres und der daraus abgeleiteten Festigkeitsverteilungen sind Härtemes-sungen nach dem Brinell- [90] und dem Vickers-Verfahren [91] geeignet. Solche Messungen sind sowohl an Ausgangs- als auch an Fertigteilen üb-lich. Bei diesen Eindringverfahren wird eine gehärtete Stahlkugel oder ei-ne Hartmetallkugel (Brinell-Verfahren) bzw. ein pyramidenförmiger Dia-mant (Vickers-Verfahren) mit einer definierten Kraft in die Probe eingedrückt. Aus dem Durchmesser bzw. der Diagonalen des Härteein-drucks – gemessen z.B. mit einem Messokular – lässt sich die Härte bestimmen. Daraus sind qualitative Aussagen zu den mechanischen Werk-stoffkennwerten ableitbar.

Weitere standardisierte Verfahren für eine Halbzeugprüfung sind der Aufweitversuch [98], der Ringaufdornversuch [99], der Ringzugversuch [100] und der Ringfaltversuch [97]. Beim Aufweitversuch erfolgt ein Aufweiten des Rohrendes oder einer Probe mit einem konischen Dorn. Beim Ringaufdornversuch werden vom Rohr abgeschnittene Ringe mit ei-nem konischen Dorn bis zum Bruch oder einem festgelegten Wert aufge-weitet. Diese beiden Prüfungen dienen zur Ermittlung der Aufweitfähig-keit, zur Erkennung von Fehlern an der Oberfläche und im Querschnitt von Rohren sowie zur Bestimmung der Umformbarkeit. Beim Ringzugversuch wird ein vom Rohr abgeschnittener Ring solange verformt, bis der Bruch eintritt. Diese Prüfmethode und der Ringfaltversuch (Ovalisieren des Roh-res) eignen sich ebenfalls zur Fehlererkennung an der Oberfläche und im Querschnitt sowie zur Bestimmung des Umformvermögens.

Zur Verbesserung der Beurteilung von Rohren für die IHU wurde ein verfahrensspezifischer Berstversuch entwickelt [23]. Die Rohrprobe wird dabei beidseitig eingespannt und durch den Aufbau eines Innendrucks bis


zum Bersten beansprucht. Während der Versuchsdurchführung werden In-nendruck und Rohraufweitung gemessen. Mit dieser Methode ist die ma-ximal erreichbare Umfangsdehnung der Rohre ermittelbar.

Neben den genannten zerstörenden Verfahren sind auch zerstörungsfreie Prüfverfahren im Einsatz. Hierbei werden Methoden genutzt, die berüh-rungslos mit Wirbelstrom [187] bzw. Ultraschall [101] arbeiten. Die Wir-belstromprüfung zeichnet sich dabei durch eine hohe Prüfsicherheit und durch hohe Prüfgeschwindigkeit aus. Mit diesen Verfahren sind Oberflä-chenfehler wie Riefen und Kratzer, Porenfehler, Anhäufung von Seigerun-gen, Schweißnahtfehler und schlechte Schabung detektierbar [130]. Zur Messung der Wanddicke sowohl beim Ausgangsteil als auch beim Fertig-teil sind diese Verfahren ebenfalls geeignet. Für eine zerstörungsfreie Qua-litätskontrolle der Schweißnaht und der Oberfläche werden auch optische Überwachungsmethoden, die z.B. auf Basis von Lichtschnittverfahren oder der Bildauswertung arbeiten, eingesetzt.

Die Qualitätsbewertung der IHU-Fertigteile erfolgt mit prinzipiell glei-cher Mess- und Prüftechnik wie bei Umformteilen, die mit konventioneller Umformtechnologie hergestellt wurden. Die Vielzahl der Qualitätsmerk-male eines Fertigteils lässt sich umfassend durch die Messgrößen Deh-nung, 3D-Oberflächenform und 3D-Koordinaten von Oberflächenpunkten beschreiben. Mit diesen Messgrößen ist eine Bewertung des Endprodukts sowie von Zwischenstufen möglich.

Zur Ermittlung der während des IHU-Prozesses aufgetretenen Dehnung ist das Halbzeug entsprechend vorzubereiten. Es werden kreisförmige oder quadratische Raster als Markierungen auf der Oberfläche aufgebracht. Aus der Verzerrung der geometrischen Figuren sind Rückschlüsse auf den Dehnungszustand möglich [37]. Dieses prinzipielle Vorgehen wird seit vielen Jahren angewendet. Die Auswertemethoden haben sich aber grund-legend gewandelt. Wurde in der Vergangenheit durch manuelles Ausmes-sen die Verzerrung der Markierungen ermittelt, so stehen heute moderne optische Systeme zur Verfügung, mit denen eine schnelle Auswertung auch größerer Bereiche möglich ist. Ein dafür geeignetes Messverfahren ist die Nahbereichs-Photogrammetrie [136].

Im Prozess erfolgt die Kontrolle der Bauteile hinsichtlich des Versagensfalls (z.B. auf Risse oder Falten) und der Abweichungen von der geforderten Oberflächenform z. Z. hauptsächlich über eine visuelle Bewer-tung durch das Bedienpersonal. Mit Prozessmonitoring-Systemen (vgl. hierzu Hauptabschn. 3.7.4) sind beim IHU Versagensfälle, z.B. Risse, be-reits an Hand des Verlaufs der Prozessparameter erkennbar.

Für die automatisierte Bewertung der Topographie werden seit Jahren umfangreiche Untersuchungen zur Entwicklung optischer Verfahren und Systeme durchgeführt. Es existieren Lösungen, die die Beurteilung der ge-


forderten Genauigkeiten erlauben. Die rauhen Umgebungsbedingungen im Presswerk stellen jedoch hohe Anforderungen an die Robustheit und Zu-verlässigkeit der Messsysteme, die für eine Integration in den Prozessab-lauf unabdingbar sind. Ein gutes Potenzial hierfür bilden Systeme, die auf Basis des strukturierten Lichtansatzes arbeiten. Flächenhaft wird auf das zu vermessende Bauteil ein Streifenmuster aus hellen und dunklen Streifen projiziert. Aus einer anderen Betrachtungsrichtung als der des Projektors ist eine Verzerrung der Streifen, die von der Oberflächenform herrührt, er-kennbar. Diese Szene wird mit einer Kamera aufgenommen. Ein Auswer-tealgorithmus berechnet daraus die quantitative Oberflächenkontur [47]. Diese optischen Systeme werden ständig weiterentwickelt und stellen auch für die Qualitätsbewertung in der IHU-Technik eine Alternative dar.

Die 3D-Maßkontrolle erfolgt mit berührenden und berührungslos arbei-tenden Messverfahren. In der Entwicklungsphase werden die umgeformten Teile mit einer hohen Messpunktdichte überprüft. Dazu werden vorrangig tastende Messmaschinen eingesetzt.

In der Fertigungslinie erfolgt dann nicht mehr diese umfassende Maß-kontrolle. Es werden ausgewählte, funktionsbestimmende Merkmale wie z.B. Biegeradien, Durchmesser und Abstände von Lochungen sowie die Maßhaltigkeit von Nebenformelementen überprüft. Dazu stehen optische Messsysteme auf Basis der Lasertechnik zur Verfügung. Die Oberfläche wird dabei punktweise oder linienförmig abgetastet. Abhängig vom Pro-duktionsablauf (hohe Stückzahlen gleicher Fertigteile oder häufiger Bau-teilwechsel) können stationäre oder flexible Anordnungen eingesetzt wer-den. Stationäre Systeme arbeiten mit einer Vielzahl von Sensoren, die rings um das zu prüfende Teil angeordnet sind. Die flexible Variante nutzt wenige Sensoren, die durch geeignetes Handling, z.B. Industrieroboter, nacheinander an die Messpositionen gefahren werden [115].

3.7.3 Schadens- und Fehleranalyse

Um Ausschussteile beim IHU / IHB nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es notwendig, die Fertigteile genauestens zu untersuchen, die Ursachen auf-tretender Fehler festzustellen und Maßnahmen zu ihrer Verhütung zu tref-fen. Für eine umfassende Schadens- und Fehleranalyse existieren geeigne-te Werkzeuge in der Qualitätssicherung. Eine häufig eingesetzte Methode des Qualitätsmanagements (QM) ist die FMEA (Fehlermöglichkeiten-Einflussanalyse, engl. Failure Modes & Effects Analysis). Sie ist in eini-gen Industriezweigen, darunter auch in der Automobilindustrie, ein unver-zichtbarer Bestandteil des QM. Diese Präventiv-Methode basiert darauf, dass im Vorfeld untersucht wird, welche Fehler auftreten können, welche


Auswirkungen diese Fehler haben und wie diese Fehler verhindert werden können. Der Einsatz der Analyse erfolgt aber auch bei bereits bekannten Versagensfällen [73]. Bei einer speziellen Art der FMEA, der System-FMEA, wird der Zusammenhang von Produkt und Prozess betrachtet. Neben anderen Fehlerursachen werden speziell mit der „System-FMEA-Prozess“ Fehler des Produkts, die als Folge von Fehlern im Herstellungs-prozess auftreten, detailliert untersucht [160].

In den Tabellen 3.12. und 3.13. sind die häufigsten Fehler, ihre Entste-hungsursachen und mögliche Fehlerverhütungsmaßnahmen beim IHU/IHB aufgeführt (vgl. dazu Kap. 2.4). Diese Zusammenstellung gibt einen Über-blick über ausgewählte Versagensfälle und geeignete Gegenmaßnahmen bzw. Vorkehrungen, um den jeweiligen Fehler zu vermeiden.

Tabelle 3.12. Wesentliche Fehler beim IHU

Fehler mögliche Fehlerursache Fehlerverhütung Einschnürungen Gleichmaßdehnung beim

Aufweiten überschritten

Bersten Überschreitung der Bruch-dehnung

− Überlagerung von Druck-spannungen (axiales Nach-schieben)

− Verwendung eines Gegen-stempels im Ausform-bereich

− Verbesserung des Werk-stoffflusses durch Werk-zeugoptimierung (z.B. durch Vergrößerung der Radien)

− Ausgangshalbzeug mit besserem Umform-vermögen einsetzen

Faltenbildung zu hohe Axialkraft bei zu geringem Innendruck

− Verhältnis zwischen Axi-alkraft und Innendruck dem konkreten Teil anpassen

− Verhältnis der Ausgangs-wanddicke zum Ausgangs-durchmesser optimieren

Knicken zu große Axialkraft bezogen auf die freie Aufweitlänge

− halbzeugangepasste Ver-fahrensparameter einstel-len (besonders wichtig ist hierbei die Axialkraft)


Tabelle 3.13. Wesentliche Fehler beim IHB

Fehler mögliche Fehlerursache Fehlerverhütung Einschürung / Bersten

− Ziehverhältnis zu groß − Behinderung des Werk-

stoffflusses− ungeeignete Vorform-

gebung − tangentiale Druck- oder

Zugspannungen bei der Realisierung von Form-elementen (ungünstige geometrische Verhältnisse, vergleichbar mit Tiefzie-hen)

− Vorform optimieren − Reduzierung des Zieh-

verhältnisses− Verwendung geeigneter

Werkstoffe − Änderung der Halbzeug-

bzw. Bauteilgeometrie − Werkstofffluss verbessern

Falten − ungesteuerter Werkstoff-fluss in der Umformphase

− Lage der Teilungsebene bzw. der Platine im Werk-zeug

− Steuerung des Werkstoff-flusses

− Optimierung des Werk-zeugs

3.7.4 Prozessmonitoring und Überwachungssysteme

Prozessmonitoring und Überwachungssysteme sind heute in der Umform-technik Stand der Technik. Sie dienen dazu, den gesamten Fertigungspro-zess durch geeignete Sensorik zu begleiten, um einen sicheren Ablauf aller Fertigungsschritte zu gewährleisten und eine wiederholbar gute Qualität des Prozesses zu ermöglichen. Dazu ist es notwendig, die gesamte Ma-schine, das Werkzeug und die Produktqualität vor zufälligen und systema-tischen Störungen zu bewahren [175].

Der Schutz der Presse wird durch Integration geeigneter Kraft- bzw. Drucksensoren in den Pressenrahmen und/oder durch die hydraulische Überlastsicherung gewährleistet. Um eine sichere Überwachung von Um-formwerkzeugen zu erreichen, müssen Kraftsensoren maschinenfest in der Nähe des Werkzeugs installiert werden. Mögliche Messorte für Sensoren sind im Stößel, in einer Sensorplatte zwischen Stößel- und Werkzeugkopf-platte oder in Spannnuten. Eine Installation von Kraftsensoren in die Umformwerkzeuge erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen eher selten, da aufgrund der Vielzahl von Krafteinleitungsorten eine große Anzahl von Sensoren notwendig wäre [175]. Übliche Presskraftüberwachungssysteme, die zum Schutz der Presse und des Werkzeugs eingesetzt werden, überwa-chen überwiegend den Betrag der Schließkraft, den Innendruck und die Axialkräfte.


Zur Qualitätssicherung der gefertigten Produkte wird einerseits die Überwachung der Fertigteile hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaf-ten in der Praxis durchgeführt. Andererseits ist die indirekte Qualitäts-überwachung durch Erfassung von spezifischen Prozessgrößen eine wirk-same und kostengünstige Alternative.

Direkte Qualitätskontrollen werden an den Halbzeugen vor dem Pro-zess, nach Biegeoperationen vor dem eigentlichen IHU-Prozess und am IHU-Fertigteil durchgeführt. Die Kontrolle der Halbzeugeigenschaften erfolgt anhand stichprobenartiger zerstörender und durch kontinuierliche zerstörungsfreie Prüfungen (vgl. Hauptabschn. 3.7.2). Für die Bauteilmaß-prüfung (nach Vorbiegeprozessen und nach dem IHU-Prozess) sind 100%-In-Line-Prozessüberwachungssysteme verfügbar [115]. Hierbei kann auf ortsfeste Systeme, bei denen die Sensoren an einem Stahlrahmen montiert sind, auf flexible Systeme, bei denen der Sensor durch einen Industriero-boter geführt wird, oder hybride Systeme, die eine Kombination beider Varianten darstellen, zurückgegriffen werden. Bei diesen Überwachungs-systemen kommen berührungslose optische Messverfahren zur Anwen-dung. Aus den Messwerten können 3D-Koordinatenwerte berechnet, mit den CAD-Solldaten verglichen und in Echtzeit in diversen Auswertefor-maten bereitgestellt werden. Fehlerhafte Bauteile werden sofort aus dem Fertigungsprozess ausgeschleust.

Neben der direkten Qualitätskontrolle kommt der indirekten Qualitäts-kontrolle in Überwachungssystemen eine große Bedeutung zu. Hierbei müssen relevante Prozessgrößen mit einem geeigneten Sensoriksystem er-fasst werden. Um online auf geänderte Bedingungen reagieren zu können, ist eine Ist-Prozessdaten-Erfassung erforderlich.

Die Spezifik der Prozesse von IHU und IHB erfordert dabei den Einsatz differenzierter Sensorsysteme. Ein wichtiges Unterscheidungskriterium ist hierbei der Blecheinzug. Beim IHU erfolgt das Nachschieben von Material in die Umformzone durch Axialstempel. Der Axialstempelweg ist als Ma-schinenparameter über die Prozesssteuerung verfügbar. Beim IHB kann das Flanscheinzugverhalten durch das Niederhaltersystem beeinflusst wer-den. Für die Messung des Flanscheinzugs beim IHB sind spezielle Senso-ren erforderlich.

Bei der Entwicklung flexibler Überwachungssysteme sollte eine Mini-mierung der werkzeugspezifischen Hardware angestrebt werden, um die Nutzung unterschiedlicher Werkzeugsysteme zu ermöglichen und eine schnelle Anpassung oder Erweiterung bei veränderten Betriebsbedingun-gen zu erreichen.

Um die Vielzahl der möglichen zu überwachenden Prozessdaten beim IHB zu veranschaulichen, wird eine Sensorik aus [60] vorgestellt.


Folgende Prozessgrößen wurden bei diesem Überwachungssystem in-tegriert:

− der Innendruck pi

− die Dicht- bzw. Niederhalterkraft Fdicht bzw. FNiederhalter

− die Gegenhaltekraft Fgegen

− der Druckübersetzerweg und damit auch der Volumenstrom Q des Wirkmediums

− die aktuelle Position der Flanschaußenkante − die Ziehtiefe Z − der Abstand zwischen Niederhalter und Matrize a

Für die Messung dieser Größen sind unterschiedliche Sensoren erforder-lich. So erfolgt die Erfassung des Wirkmediendrucks durch einen piezo-resistiven Drucktransmitter. Die Stößel-, Niederhalter- und Gegenhalter-kräfte werden durch Druckaufnehmer, die in der Zylinderzuleitung angeordnet sind, erfasst. Ein inkrementaler Wegaufnehmer, der über ein vorgespanntes Zahnriemensystem angetrieben wird, erfasst den Druck-übersetzerweg. Dieser ist u.a. zur Volumenstrombestimmung erforderlich. Durch Flanscheinzugssensoren werden Informationen über den aktuellen Flanscheinzug gewonnen. Aus dem Bereich der Tiefziehprozessregelung sind taktile, optische, induktive und pneumatische Blecheinzugsensoren bekannt [50]. Die Werkstücktiefe wird entweder über die aktuelle Gegen-halterposition oder einen speziellen Tiefensensor (Schersensor) erfasst, wobei jeweils induktive Wegaufnehmer zum Einsatz kommen.

Die Sensorsignale müssen zur weiteren Nutzung mit einer Signalverar-beitung (entsprechende Verstärker- und A/D-Wandlerschaltungen) an nachgeschaltete Auswerteeinheiten, z.B. Industrie-PC oder SPS, angepasst werden.

Die gewonnenen Messdaten werden in Überwachungssystemen genutzt, u.a.

− zur Bediener-Information und Bediener-Führung, − zur Bewertung des Prozesses im Sinne einer Trendanalyse und − als Eingangsgrößen für Prozesssteuerungsaufgaben (s. Hauptabschn.

3.7.5).

Durch eine Online-Visualisierung der Prozessparameter, in modernen Sys-temen mit bedienerfreundlicher Windows-Oberfläche, wird der Bediener über den genauen Fertigungsablauf informiert, und er kann in den Prozess eingreifen. Bei Überschreitung vorgegebener Grenzwerte ist eine optische oder akustische Signalisierung des Bedienpersonals möglich.


Für eine Rückverfolgung von Qualitätseinbrüchen oder tendenziellen Verschiebungen von Prozessparametern ist eine Speicherung und Doku-mentation unerlässlich.

Die Möglichkeit des Erkennens von Prozessfehlern eines IHU-Prozesses soll anhand der Zeitverläufe von Axialstempelweg und Innendruck darge-stellt werden. Kommt es während der Phase der freien Umformung zum Bersten des Bauteils, entweicht Wirkmedium aus dem Innenraum des Bau-teils und es tritt ein kurzzeitiger Druckabfall auf. Dieser Druckeinbruch ist ein hinreichendes Kriterium für den Versagensfall Bersten. Ein kontinuier-licher Druckanstieg kennzeichnet einen fehlerfreien Umformprozess. In Abb. 3.134. sind die Kurvenverläufe eines fehlerfreien Prozesses und des Versagensfalls Bersten dargestellt. Die Messdaten wurden bei Untersu-chungen am Fraunhofer IWU Chemnitz aufgezeichnet.

Ax

ials

tem

pe

lwe

g i

n m

m

Inn

en

dru

ck

in

ba

r

Zeit in s

120

160

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1.000

2.000

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0

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Druckeinbruch

Axialstempelweg

Innendruck

Abb. 3.134. Axialstempelweg-Zeit- und Innendruck-Zeit-Verläufe für einen feh-lerfreien Prozess (links) und den Versagensfall Bersten (rechts)

3.7.5 Prozessregelsysteme

Ziel einer Regelung im Produktionsprozess ist es, den Prozess kontinuier-lich zu bewerten und gegebenenfalls zu korrigieren. Dazu ist eine ständige Kontrolle des Qualitätszustandes des Umformteils im Prozess erforderlich. Die Qualität soll durch die Eliminierung von systematischen und die Re-duzierung von zufälligen Einflüssen gesichert werden.

Beim Innenhochdruck-Umformen sind Konzepte bekannt, die auf Pro-zesssteuerungen unterschiedlicher Parameterkombinationen (z.B. Innen-druck, Axialstempelweg) basieren. Verschiedenste integrierte Regelstre-cken beeinflussen die Prozessparameter, um die vorgegebenen Sollkurven im Fertigungsprozess einzuhalten. Während der Fertigungsvorbereitung werden anhand des Arbeitsdiagramms (vgl. Abschn. 3.3.2.3, Abb. 3.54.), von FEM-Simulationen und durch Versuche in der Prototypenphase Soll-


kurvenverläufe für das spezielle umzuformende Teil ermittelt, für die im Prozessablauf eine versagensfallfreie Umformung zu erwarten ist.

Eine Erweiterung solcher Prozesssteuerungen zu einer Prozessregelung basiert darauf, bei Änderungen des Prozesszustandes – z.B. durch Störgrö-ßen wie schwankende Halbzeugtoleranzen – die Sollkurven innerhalb der durch das Arbeitsdiagramm vorgegebenen Grenzen zu modifizieren. Vor-aussetzung für den Aufbau solcher Systeme ist eine Online-Erfassung der relevanten Prozessgrößen. Sensorik und Überwachungskonzepte, wie unter 3.7.4 diskutiert, bilden die Grundlage dafür.

Stand der Technik im Bereich des Pressenbaus sind heute Steuerungs-konzepte, die eine Trennung von sicherheitskritischen und anlagen- bzw. prozesssteuerungstechnischen Funktionen vorsehen. Dies resultiert aus re-striktiven Vorschriften der Berufsgenossenschaften bzw. des Gesetzgebers [67, 88]. Sicherheitskritische Steuerungskomponenten werden daher meis-tens in festverdrahteter elektromechanischer Ausführung separat aufge-baut, wohingegen die anlagen- bzw. prozesssteuernden Systeme heute i.d.R. als SPS ausgeführt werden [60].

Ebenso, wie bereits im Hauptabschn. 3.7.4 dargestellt, sind Prozesssteu-ersysteme für Innenhochdruck-Umformprozesse aufgrund unterschied-licher Prozesscharakteristika von IHU und IHB verschiedenartig auszule-gen. Es werden unterschiedliche Prozessparameter genutzt.

Um ein Höchstmaß an Flexibilität von Steuerungssystemen für unter-schiedliche Werkzeuge und Maschinen zu erzielen, wird die Nutzung vorrangig technologischer Prozessparameter der Umformanlage, z.B. In-nendruck und Axialstempelweg, angestrebt. Diese Parameter sind mit ent-sprechenden Druck- und Wegsensoren, deren Einsatz in Umformmaschi-nen bereits üblich ist, messbar. Auf eine Integration zusätzlicher Sensorik kann damit verzichtet werden. Die Parameter Innendruck und Axialstem-pelweg können als Führungsgrößen bei der IHU von Rohren Erfolg ver-sprechend genutzt werden. Als weitere Steuergröße für den IHU-Prozess wird in [116] die Reibung vorgeschlagen. Bei der IHB stellt der Blechein-zug eine zentrale Kenngröße dar, um einen stabilen, prozesssicheren Um-formprozess zu gewährleisten. Um den Blecheinzug zu erfassen, sind je-doch spezielle Sensoren erforderlich (s. Hauptabschn. 3.7.4).

Für das Innenhochdruck-Umformen von Rohren werden in [39, 169] Prozesssteuerungen vorgestellt, die auf im Vorfeld ermittelten Sollkurven basieren. Die vorgegebenen Innendruck-Zeit- und Axialstempelweg-Zeit-Verläufe werden durch Druck- und Weg-Regelsysteme im Prozess nachge-fahren. In einer anderen Variante wird anstelle des Innendrucks das Pump-volumen des Wirkmediums als Regelgröße genutzt.

In [124, 134] bildet eine Methode aus dem Bereich der unscharfen Mengen (Fuzzy-Logic) die Basis für verschiedene Regelkonzepte. Beim


Einsatz der Fuzzy-Logic kann auf eine Modellbildung für den IHU-Pro-zess verzichtet werden, da Fuzzy-Regler nicht mit mathematischen Model-len arbeiten, sondern auf experimentellem Prozesswissen basieren.

Während bei der Hydro-Umformung von Rohren die Kräfte der Axial-zylinder für die Regelung des Werkstoffflusses Bedeutung haben, sind es bei der Hydro-Umformung von Blechen Änderungen der Prozessgröße Niederhalterkraft bzw. Schließkraft. Am Fraunhofer IWU Chemnitz wurde eine Blecheinzugregelung erfolgreich getestet, die den Weg der Blechpla-tine während der Umformung ins Werkzeuginnere (Einzugweg) als Regel-größe und die Niederhalterkraft als Stellgröße nutzt (s. Abb. 3.135.). Für die Detektion des Einzugweges werden Sensoren eingesetzt, die nach dem Prinzip der Laser-Triangulation arbeiten. Mit diesen optischen Sensoren kann die Regelgröße Einzugweg hinreichend schnell, genau und zuverläs-sig erfasst werden. Entsprechend der Komplexität der Geometrie des Um-formteils werden ein oder mehrere Sensoren an signifikanten Bereichen des Werkstückumfangs positioniert. Das auf diese Weise ermittelte Weg-signal dient zur Regelung der Niederhalterkraft. Bei einfachen Bauteilge-ometrien ist die Beeinflussung des Gesamtbetrags der Niederhalterkraftausreichend. Für anspruchsvolle Geometrien stehen Mehrpunkt-Kissen-Systeme zur Verfügung, bei denen die Kräfte einzelner Pinolen unter-schiedlich geregelt werden. Damit ist eine definierte Beeinflussung des Blecheinzugverhaltens möglich.

Für den Einsatz der Regelstrategie im realen Umformprozess ist zu-nächst eine Masterkurve des Blechkanteneinlaufs zu ermitteln. Dazu wer-den für ein konkretes Werkstück verschiedene Kurvenverläufe aufgenom-men, um den Arbeitsbereich zwischen Falten- und Rissbildung zu begrenzen. Die Masterkurve wird i. Allg. in der Mitte des Arbeitsbereiches platziert. Entsprechend dem Arbeitsverlauf wird die Masterkurve definiert. Im laufenden IHB-Prozess stellt der Sensor den Wert des IST-Blech-kanteneinlaufs bereit. Dieser Wert wird mit dem SOLL-Blechkantenein-lauf (Masterkurve) verglichen und die augenblickliche Regelabweichung bestimmt. Ein nachgeschalteter P/I-Regler ermittelt daraus eine Regelkraft, die zur Grundkraft addiert wird. Mit dieser Regelstrecke wird die wirkende Pinolenkraft gebildet. Bei zu schnellem Einlauf (Gefahr der Faltenbildung) wird die Kraft erhöht, bei zu langsamem Einlauf (Rissgefahr) reduziert. In Abb. 3.136. sind für ein Versuchswerkstück Einzugweg-Zeit-Kurven der Blechkanteneinläufe der Masterkurve, der beiden Versagensfälle (Falten und Reißer) und vom geregelten Prozess dargestellt. Die Masterkurve wurde nicht genau in der Mitte zwischen den beiden Versagenskurven festgelegt, sondern etwas näher an die Faltengrenze gerückt. Dies bewirkt eine zusätzliche Sicherheit. Anhand umfangreicher Testreihen wurde nach-


gewiesen, dass die Realisierung des beschriebenen Prozess-Regelkreises in hohem Maße zur Qualitätssicherung beiträgt.

Matrize

Teil während des

Ziehvorganges

Detektion durch

Einlaufsensor

Realisierung

Niederhalter

Zuschnitt

Zieheinrichtung

Zieheinrichtung

Pinole

Vergleich IST- mit

SOLL-Einzug

Masterkurve

Rechner

elektrisches Signal am Ventil

se Ist < se Soll

se Ist > se Soll

FPinole; ΣFPinole

FPinole; ΣFPinole

se Soll

se Ist

Störgrößen

Abb. 3.135. Blecheinzugregelung für IHB

Ein

zu

gw

eg

sE

in

mm

Zeit in s

30

40

35

45

25

1,601,200,800,400 2,00 2,40 2,80 3,20

Gutteilfenster

Fehlerteil (Falten)

Fehlerteil (Reißer)

Masterkurve

Abb. 3.136. Einzugweg-Zeit-Kurven der Blechkanteneinläufe einer Blecheinzug-regelung

4 Werkzeugtechnik

4.1 Werkzeugkonzepte

4.1.1 Dimensionierung

4.1.1.1 Grundsätzliche Ausführungsvarianten

Aufgrund der zu erwartenden, meist relativ hohen Belastungen in Hydro-Umformprozessen wird auf eine möglichst hohe Steife der Serienwerkzeu-ge orientiert. Viele Einzelkomponenten würden die Körperfederung des Werkzeugs erhöhen und somit zu unerwünschten geometrischen Verände-rungen der Gravur bis hin zur plastischen Deformation (Werkzeugbruch) führen. Übliche konstruktive Ausführungen sind die Monoblockbauweise oder der Aufbau mit Grundblock und Einsätzen. Im letzteren Fall wird ein quasistarrer Grundblock für das Ober- bzw. das Unterwerkzeug vorgese-hen, in den Formeinsätze als Aktiv- oder Funktionsteile eingepasst werden.

Folgende typische Arten von Formeinsätzen finden in IHU-Werkzeugen Anwendung:

− Einsätze als Bestandteile der Werkzeuggravur (Aktivteile) − Verschleißeinsätze bei hohen Flächenpressungen (z.B. Nachschiebebe-

reich Dichtstempel) − bewegliche Einsätze (z.B. Auswerfer, Niederhalter, Schieber) − Einsätze zur Schnellbefüllung mit Medium

Die Vorteile von Formeinsätzen liegen in der Flexibilität bezüglich

− Austauschbarkeit, − Änderungserfordernissen sowie − Wärmebehandlung und Beschichtung.

Ein vollständiger, möglicherweise auch teilweiser Aufbau der Werk-zeuggravur (Aktivteile) aus Formeinsätzen wird als Segmentierung be-zeichnet.

164 4 Werkzeugtechnik

Dabei gilt konstruktiv grundsätzlich

GrundblockzeFormeinsät VV << . (4.1)

Die Grundblöcke müssen die Funktion des stützenden Körpers über-nehmen, der alle Prozesskraftkomponenten ohne bleibende Formände-rungen aufnimmt. Dies sind neben Formeinsätzen auch Funktionselemente wie eingebaute Führungen, Locheinheiten oder Kraftübertragungselemente.

Besondere Maßnahmen sind in den Nachschiebebereichen von IHU-Werkzeugen erforderlich. Durch die höhere Beanspruchung infolge höhe-rer Kontaktspannungen während des Nachschiebens von Werkstoff in die Umformzone müssen die entsprechenden Aktivteile höhere Härten aufwei-sen. Als geeigneter Werkstoff hat sich dabei der Kaltarbeitsstahl X155CrVMo12-1 (1.2379) erwiesen. Di eser verschleißfeste, ledeburitische Stahl mit einem 12-prozentigen Chromanteil kann eine Härte bis zu 65 HRC erreichen [184, S. 186]. Für die Aktivteilsegmente empfiehlt sich ei-ne Härte von 57±1 HRC. Damit wird ein hoher Widerstand sowohl gegen plastische Verformungen als auch gegen Verschleiß bei noch ausreichen-der Zähigkeit zur Vermeidung von Kantenausbrüchen erreicht [184, S. 187].

Werkzeugelemente, die hauptsächlich die Funktion der Formgebung zu erfüllen haben, sollten aufgrund der ständig wechselnden Belastungen eine höhere Zähigkeit und somit geringere Härten aufweisen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Werkstoff X38CrMoV5-1 (1.2343) ausgezeichnet geeig-net ist, derartigen Belastungen standzuhalten. Dieser Warmarbeitsstahl mit einem Chromanteil von 5% zeichnet sich durch eine hohe Zähigkeit und Druckfestigkeit aus und kann eine maximale Härte von 57 HRC anneh-men. Speziell für hohe Standmengen wird eine Härte von 50±1 HRC vor-geschlagen, die den Aktivteilen noch ausreichende Zähigkeit sowie genü-gend Schutz gegen Abrasion gibt. Weiterhin kann bei dieser Härte sichergestellt werden, dass eine komplette Durchhärtung des Werkstoffs vollzogen ist.

Vor allem bei der segmentierten Werkzeugbauweise ist der Einsatz von Abstimmplatten, die sich zwischen Formelement und Grundkörper befin-den, erforderlich. Fehlen diese, kann es zu stärkeren Setzungserscheinun-gen der Formelemente kommen, da die Werkzeuggrundkörper keiner Wärmebehandlung unterzogen werden. Abbildung 4.1. zeigt ein Werk-zeugaktivelement mit Abstimmplatte.

4.1 Werkzeugkonzepte 165

Aktivelement

Abstimmplatte

Abb. 4.1. Aktivelement mit Abstimmplatte

Die Abstimmplatten sollten mindestens die Härte der Aktivelemente be-sitzen, um ungewollte bleibende Formänderungen und somit Maßabwei-chungen zu vermeiden.

Für Werkzeuggrundkörper kann der Werkstoff 40CrMnMoS8-6 (1.2312) Anwendung finden. Dieser Kunststoffformenstahl zeichnet sich durch bes-te Zerspanbarkeit aus und wird im vergüteten Zustand mit einer Festigkeit von Rm = 900...1.100 N/mm² geliefert. Be i richtig dimensioniertem Grund-körper (Gl. 4.1) reicht die Grundfestigkeit des Werkstoffs aus, den Bean-spruchungen standzuhalten. Außerdem ist der Kostenaspekt zu berücksich-tigen: Eine Wärmebehandlung würde wegen der großen Dimensionen des Grundkörpers erhebliche Kosten und Zeitaufwendungen verursachen.

Für nicht segmentierte Werkzeuge kann dieser Werkstoff ebenfalls ver-wendet werden. Ein weiterer Vorteil neben den genannten guten Eigen-schaften ist, dass die Werkzeuge, speziell deren Gravuren, gut poliert oder beschichtet werden können.

4.1.1.2 Werkzeugwerkstoffe

Vor allem bei großen Innendrücken und den daraus resultierenden hohen Flächenpressungen muss das Hydro-Umformwerkzeug eine hohe Festig-keit aufweisen. So wird es einerseits durch die hohe, für eine maßgerechte Bauteilgeometrie notwendige Schließkraft der IHU-Presse und anderseits durch den steigenden hydrostatischen Druck während des Prozesses bean-sprucht. Die Grundfestigkeit des Werkzeugwerkstoffs ist für diese Bean-spruchungen häufig nicht ausreichend; die Härte muss durch geeignete Wärmebehandlungen erhöht werden. Bei der Bestimmung der Flächen oder Segmente, die einer Wärmebehandlung zu unterziehen sind, spielen die Werkzeugbauform, die erforderliche Bauteilstückzahl, das axiale Nachschieben von Werkstoff und der maximal angewendete Innendruck eine entscheidende Rolle.


In Tabelle 4.1. sind übliche Werkzeugwerkstoffe für die Hauptbestand-teile des Hydro-Umformwerkzeugs zusammengestellt:

Tabelle 4.1. Werkstoffe für IHU-Werkzeugkomponenten

Werkzeugbestandteil Werkstoffgruppe Werkstoffe Monoblöcke/Grundblöcke Warmarbeitsstähle

Vergütungsstahl Stahlguss

X40CrMoV5-1 (1.2344), X38CrMoV5-3 (1.2367), 55NiCrMoV6 (1.2713), X38CrMo5-1 (1.2343) 40CrMnMoS8-6 (1.2312) GS 52, GS 72

Formeinsätze als Aktivteile Werkzeugstahl Vergütungsstahl Warmarbeitsstahl

X155CrVMo12-1 (1.2379) 40CrMnMoS8-6 (1.2312) X38CrMo5-1 (1.2343)

Die Auswahl der Werkzeugwerkstoffe für die Werkzeugaufnahmen richtet sich in erster Linie nach dem geplanten Einsatzfall des Werkzeugs. Dabei sind folgende funktionelle Angaben von Bedeutung:

− Charakter des Werkzeugs (Prototyp oder Serie) − geplante Stückzahlen − Verfahrensparameter und Lastregime − Werkstückgeometrie− Funktionsintegration − Einbaubedingungen in der Umformanlage

Eine Gegenüberstellung der Grundkonstruktionsmöglichkeiten in Guss oder Stahl zeigt die Vor- und Nachteile der Varianten (Tabelle 4.2.).

Tabelle 4.2. Vergleich von Werkzeugkonstruktionen in Grauguss, Stahlguss und geschmiedetem Stahlmonoblock

Werkstoff Grauguss Stahlguss Stahlmonoblock E-Modul 73…102 GPa 196...210 GPa 196...215 GPa Belastbarkeit mäßig gut sehr gut Konstruktion belastungsgerecht belastungsgerecht überdimensioniert near net shape formoptimal formoptimal ungünstig Einsatzmasse optimiert optimiert ungünstig Spanbarkeit gut mäßig mäßig Halbzeugkosten ca. Faktor 0,8...1,6 Faktor 2,5...3,3 Faktor 1 Modellkosten vorhanden vorhanden keine Schweißbarkeit eingeschränkt gut gut Einsatzempfehlung Prototypen Großserie,

hohe BelastungenPrototypen, mittlere und Großserie


Ein Nachteil segmentierter Werkzeuge sind, neben den vergleichsweisehohen Kosten, die sich im umgeformten Bauteil normalerweise abzeich-nenden Segmentübergänge. Dies macht zusätzliche Anstrengungen bei der Werkzeugeinarbeitung und -wartung erforderlich, um Bauteile mit hoher Oberflächenqualität herstellen zu können.

Aufgrund der zunehmenden Größe der Hydro-Umformwerkzeuge kann davon ausgegangen werden, dass der Einsatz geschmiedeter Monoblock-Halbzeuge begrenzt ist. Statt dessen bieten sich gegossene Monoblöcke an, die zusätzlich eine endkonturnahe Fertigung und somit eine deutliche Re-duzierung des mechanischen Bearbeitungsaufwandes ermöglichen. Da die-se Bauformen jedoch eine wesentlich geringere Belastbarkeit aufweisen, werden diese Werkzeuge vor allem für die Realisierung kleinerer Stück-zahlen (Prototypen, Nullserien, ...) eingesetzt.

Eine Alternative, die verstärkt bei der Herstellung von Großwerkzeugen zum Einsatz kommt, ist die Verwendung gegossener Formkästen mit in-tegrierten Formeinsätzen bzw. Segmenten. Vorteile sind

− die Möglichkeit einer belastungsgerechten Konstruktion, − die im Vergleich zu Monoblöcken wirtschaftlichere Fertigung (Reduzie-

rung des mechanischen Bearbeitungsaufwandes), − die relativ einfache Integration zusätzlicher Werkzeugfunktionen (Axi-

alzylinder, Schiebersysteme, ...) sowie − die Möglichkeit, die Baugrößen der Werkzeuge deutlich zu erweitern.

Bei der Fertigung des Formkastens sind sowohl die spätere Werkzeug-funktion als auch gießtechnische Aspekte zu beachten, was i.d.R. einen er-höhten Auslegungs- und Konstruktionsaufwand erfordert. Aufgrund der Dimensionen der Gusskästen besteht z.B. die Gefahr der Lunkerbildung und somit der Ausbildung undefinierter Schwachstellen. Ein weiteres Au-genmerk muss auf die Gestaltung der Einsätze, deren Einbau in den Form-kasten sowie deren gegenseitige Fixierung gelegt werden. Neben Ab-stimmplatten zur Feinjustierung der Einsätze sowie zum Ausgleich bzw. zur Vermeidung von Setzungserscheinungen werden zur Vorspannung und Minimierung elastischer Deformationen unter Last Spannkeile verwendet.

Einige Werkzeugbauer unternehmen in letzter Zeit verstärkt Anstren-gungen, durch Standardisierungen bestimmter Baugruppen sichere und funktionale Lösungen in das IHU-Werkzeug einzubringen und die dabei gesammelten Erfahrungen in Richtlinien zusammenzufassen. Neben Lö-sungen für Hydraulikbaugruppen und Werkzeugführungen bietet speziell der standardisierte Aufbau von Locheinheiten ein großes Sicherheitspoten-zial.


Trotzdem muss eingeschätzt werden, dass allgemein gültige Richtlinien zur Auslegung von Werkzeugen, wie sie aus der konventionellen Blech-umformung bekannt sind, auf dem Gebiet der IHU-Werkzeugtechnik der-zeit noch nicht verfügbar sind und eine vergleichbare Standardisierung bis-lang nicht stattgefunden hat. Heute angewandte Lösungsstrategien werden vor allem durch die jeweilige Firmenphilosophie der Unternehmen beein-flusst und zeichnen sich durch große Unterschiede in den Herangehens-weisen aus.

Zur Unterstützung der Auslegung von IHU-Werkzeugen kommen Fini-te-Elemente-Simulationen zur Anwendung. Mit deren Hilfe ist es bereits in der Konstruktionsphase möglich, das Verhalten des Werkzeugs (auftreten-de Spannungen, Deformationen, ...) bei den entsprechenden Belastungen zu simulieren. So können schon dort Überarbeitungen der Werkzeugausle-gung vorgenommen werden. Die Herausforderung bei der Anwendung von FE-Simulationen zur Auslegung des IHU-Werkzeugs besteht vor allem in der Entwicklung eines Modells, das die relevanten Zusammenhänge mit einer ausreichenden Genauigkeit abbildet. Als besonders anspruchsvoll erweisen sich die Modellierungen der Segmentperipherien und der Einbau der Einsätze in den Grundkörper segmentierter Werkzeuge.

Die heutige Strategie, ein IHU-Werkzeug prozesssicherer auszulegen, besteht allgemein in der Vergrößerung der Werkzeugabmessungen. Unter-suchungen haben aber gezeigt, dass beispielsweise durch eine Vergröße-rung der Werkzeugbreite ab einer bestimmten Größe keine signifikante Verbesserung der Werkzeugsteifigkeit mehr erreicht werden kann [139]. Somit ist es auch nicht möglich, durch entsprechende Überdimensionie-rung einen Dauerbruch des Werkzeugs zu vermeiden. Vielmehr konnte an einem einfachen Werkzeug nachgewiesen werden, dass durch eine Steue-rung des Kraftflusses die Spannungen im Werkzeug deutlich reduziert werden können. Dieses „SNAKE-Prinzip“ (SpannungsNivellierung durch Angepasste KraftEinleitung) kann z.B. mit Hilfe von Zwischenplatten oder Absätzen realisiert werden.

4.1.1.3 Wärmebehandlungsverfahren

Ziel einer jeden Wärmebehandlung ist die Einstellung bestimmter Werk-stoffeigenschaften, die für die Verarbeitung oder beim Gebrauch maßge-bend sind [129, S. 249]. Im Fall der Hydro-Umformwerkzeuge sind das vor allem die Erhöhung der Festigkeit, der Härte und/oder der Zähigkeit. Um eine Verbesserung dieser Werkstoffeigenschaften zu erzielen, hat sich das Vergüten der Werkzeuge bewährt. Das Vergüten ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen. Beim Anlassen erfolgt zwar ein Abfall der Här-te, jedoch mit einer deutlichen Verbesserung der Zähigkeit. Speziell im


Fall der Aktivteile kommt dabei das Vakuumhärten im Temperaturbereich von 1.180...1.320 °C zum Einsatz. Dieses Wärmebehandlungsverfahren ist ein Erwärmen in evakuierten Retorten mit Stickstoff im unteren Tempera-turbereich (konvektive Erwärmung), im oberen durch Strahlung [184, S. 122]. Das Abschrecken erfolgt im Vakuumofen mittels Hochdruckgas-abschrecken. Dabei wird N2 oder ein Gemisch aus He/N2 unter 6 bar mit hoher Geschwindigkeit in den Vakuumofen eingebracht. Die Abschreck-wirkung liegt zwischen der von Öl und Salzbädern und ist regelbar. Nach dem Härten besitzen die Werkzeuge eine sehr hohe Härte, die als „glas-hart“ bezeichnet wird. Die noch fehlende Zähigkeit erhält der Werkstoff durch das nachfolgende Anlassen. Die Höhe der Temperatur ist dabei ab-hängig vom Werkstoff und der geforderten Härte. Aktivteile, die sich im Nachschiebebereich befinden, werden nach dem Härten in drei Stufen mit geringen Anlasstemperaturen angelassen. Hingegen werden Aktivteile, die hauptsächlich der Formgebung dienen, in zwei Stufen mit höheren Tempe-raturen angelassen.

4.1.1.4 Lage der Teilungsebene

Für das Hydro-Umformen konzipierte Werkstücke werden im einfachsten Fall aus geschlossenen Rohr- oder Profilabschnitten hergestellt. Das ver-wendete Halbzeug wird dabei nur auf die erforderliche Länge getrennt und im Hydro-Umformprozess ausgeformt. Die zugehörigen Werkzeugaktiv-teile sind üblicherweise zweiteilig, wobei jeweils im Werkzeugober- und -unterteil eine Hälfte der späteren Werkstückform eingearbeitet ist.

Die Kontaktfläche der Werkzeughälften wird als Teilungsebene be-zeichnet. Die Lage dieser Ebene ist von der Werkstückendgeometrie ab-hängig. Folgende funktionelle Hauptkriterien müssen ohne Einschränkung erfüllt sein:

− Einlegen des Halbzeugs in eine Werkzeughälfte − kollisions- und hinterschnittfreies Schließen und Öffnen der Werkzeug-

hälften− Entnahme des ausgeformten Werkstücks

Bei Rohren und Profilen werden gemäß einem Entwurf zur VDI-Richtlinie 3146 [126] drei Arten von Grundorientierungen unterschieden (Abb. 4.2.):


Flächenschwerpunkte der Stirnflächen liegen auf einer Achse

Flächenschwerpunkte der Stirnflächen liegen ver-setzt auf zwei parallelen Achsen

Flächenschwerpunkte der Stirnflächen liegen ver-setzt auf zwei Achsen in einem Winkel

Abb. 4.2. Grundorientierungen von Teilungsebenen nach [126]

Für einfachere achssymmetrische Werkstückhauptgeometrien gilt im zweidimensionalen Fall (z = konstant) die Mittelachse des Werkstücks als Bezug. Eine beliebige ebene Fläche A, zwischen x und y aufgespannt, auf der die Mittelachse verläuft, entspricht der Teilungsebene (Abb. 4.3.).

A

Mittelachse

Werkstück

Teilungsebene

z

y

x

A

Abb. 4.3. Teilungsebene Werkzeug bei einfachen Werkzeugen (2D)

Für komplexere Werkstücke wird mit der sich ändernden z-Koordinate eine dritte Dimension eingeführt (s. Abb. 4.4.). Die Punkte der Mittelachse werden nun durch die Koordinaten x, y und z beschrieben. Damit wird die Fläche (A) der Werkzeugteilung uneben und bildet je nach Bauteilkomple-xität unterschiedliche topografische Formen. Als Bezug für die Auslegung der Werkzeugteilung wird die so genannte Biegelinie verwendet, die sich aus den Flächenschwerpunkten endlich vieler Schnitte entlang der Längs-achse des umgeformten Bauteils ergibt. Bei der Erstellung von Werk-stückkonstruktionen in CAD-Programmen wird diese Biegelinie in der Konstruktion mit angegeben. Zur Erzeugung einer einlegbaren Ausgangs-form können Biegeverfahren als Vorformoperation eingesetzt werden.


A

Mittelachse

z

y

x

A

Werkstück

Teilungsebene

Abb. 4.4. Lage der Werkzeugteilungsebene bei 3D-Kontur

Bei dreidimensionalen Blechformteilen ist die Ankonstruktion im All-gemeinen so gelegt, dass das Werkstück hinterschnittfrei entnommen wer-den kann und die geringste Ausformtiefe realisiert ist. In den meisten Fäl-len entsteht daraus direkt eine verwertbare Teilungsebene. Beim Schließen des Werkzeugs erfolgt ein Vorbiegen der Platine um die x- oder y-Achse. Die gleichzeitige Formung der Platine in beide Richtungen (zweiachsiger Spannungszustand) ist aufgrund der Faltenbildungsgefahr nur begrenzt möglich, da hier üblicherweise keine Niederhalterfunktion wie beim kon-ventionellen Tiefzug verfügbar ist. Abbildung 4.5. zeigt ein solches Werk-zeug für die Ausformung einer B-Säule.

Abb. 4.5. Hydro-Umformwerkzeug für die Herstellung einer B-Säule (Unterteil)


4.1.1.5 Lokalisierung der Axial- und Radialzylinder

Bei den Axial- und Radialzylindern handelt es sich um hydraulische Bau-elemente, die meist am Werkzeug befestigt sind und mehrere wesentliche Funktionen im Hydro-Umformprozess vereinen. Sie erzeugen die benötig-ten Kraftkomponenten für

− die Abdichtung des Systems gegen den sich aufbauenden Innendruck, − die Erzeugung axialer Spannungen im Werkstück, − die Umformung, − die Überwindung der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug oder − eine Gegenhaltefunktion beim gesteuerten Werkstofffluss.

Weiterhin erfolgt durch die Axialzylinder der Zu- und Abfluss des für die Umformung benötigten Fluids.

Die Anordnung dieser Zylinder (s. Abb. 4.6.) im Werkzeug erfolgt ent-sprechend der durch die Werkzeuggravur bestimmten Bewegungsrichtung des Werkstoffs. Bei der Anordnung ist wiederum auf eine hinterschnitt-freie Ausrichtung zur Schließebene zu achten. Die Bewegungsrichtung ei-nes Axial- oder Radialzylinders ist bei Rohren und Profilen idealerweise gleich dem Verlauf der Biegelinie des Werkstücks bzw. der Mittelachse des zu erzeugenden Nebenformelements. Ist eine ideale Ausrichtung kon-struktiv nicht möglich, kann ein Zylinder auch mit entsprechender Winkelkorrektur angebracht werden. In diesem Fall ist meist die Ankon-struktion zum Nachschieben zu ändern und die dadurch erhöhte Nach-schiebekraft zu berücksichtigen. Der Nachschiebeweg ist begrenzt und auf Kollision zu überprüfen.

Draufsicht auf das

Werkzeugunterteil

Fradial

Faxial 1 Faxial 2

Teilungsebene Werkzeug

Abb. 4.6. Anordnung von Axial- und Radialzylindern zur Teilungsebene (Beispiel T-Stück)

4.1.1.6 Andocksysteme

Der Vorgang der Hochdruck-Umformung wird über das druckbeaufschlagte Medium realisiert. Um dieses Medium auf das Halbzeug wirken zu lassen, sind Koppelglieder erforderlich, die als Andocksystem bezeichnet werden.


Das Andock- oder Dichtsystem hat die Aufgabe, das Werkstück mit Hochdruckmedium zu befüllen und während des Umformprozesses sicher abzudichten. Die Zuverlässigkeit des Dichtsystems und die durch das Dichtsystem beeinflusste Taktzeit kennzeichnen Qualität und Wirtschaft-lichkeit des Hydro-Umformprozesses.

Die Entwicklung vielfältiger Dichtkonzepte ist durch die Anforderungen an das Dichtsystem und grundsätzliche Unterschiede in der Gestalt der Halbzeuge bestimmt. Nachfolgend werden verschiedene Dichtsysteme für die Hydro-Umformung erläutert. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf dem Funktionsprinzip.

Die im Hydro-Umformprozess an das Dichtsystem gestellten Anforde-rungen sind beachtlich: Die Fertigung der Werkstücke findet i.d.R. in ra-scher Folge statt und durch das damit verbundene ständige Be- und Entlas-ten werden die Anforderungen an die Beständigkeit der Dichtelemente gegen den herrschenden Innendruck deutlich erhöht.

Im Serieneinsatz besteht die Möglichkeit und oft auch die Notwendig-keit, trotz höherer Anschaffungskosten aufwändigere und speziell auf das Werkstück zugeschnittene Dichtsysteme einzubauen. Die höheren Kosten werden durch eine verringerte Zykluszeit und größere Standmengen aus-geglichen.

Andocksysteme für Hydro-Umformwerkzeuge bei der Umformung von Rohren und Profilen Unabhängig von der Lage der axialen oder radialen Zylinder im Werkzeug muss während des Innenhochdruck-Umformvorgangs die Dichtheit des Systems gewährleistet werden. Dazu werden den Werkstück-Kontakt-flächen formspezifische Adapterstücke zugeordnet.

Bei der Rohr- und Profilumformung wird das Andocksystem direkt an den Kolbenstangen der axialen oder radialen Hydraulikzylinder angesetzt.

In den Adapterstücken müssen Öffnungen für den Mediendurchfluss vorgesehen werden. Mit Hilfe eines derartigen Andocksystems werden zu-sätzlich halbzeugbedingte Toleranzen ausgeglichen. Um je nach Anwen-dungsfall eine maximale Dichtwirkung zu erzielen, wird mit glatten, stu-fenförmigen oder konischen Stempelflächen an den Adapterstücken gearbeitet. Diese tauchen in das Halbzeug ein und dichten von innen über die Bauteilwand gegen die Werkzeuggravur.

Soll gleichzeitig zum Dichten ein Nachschieben des Werkstoffs erfol-gen, müssen die Adapterstücke konstruktiv so ausgelegt werden, dass der Spalt zwischen Dichtstempel und Werkzeuggravur nur eine Werkstoffver-drängung in die gewünschte Richtung zulässt, eine Beschädigung der Werkzeuggravur jedoch verhindert wird.


Andockstempel mit O-Ring-Dichtung Bei der Variante des Andockstempels mit O-Ring-Dichtung wird mit Hilfe eines Elastomers gedichtet (Abb. 4.7.). Der Vorteil dieser Elastomerdich-tung liegt im schnellen Dichten zu Beginn des Umformprozesses, also schon bei geringem Innendruck. Eine größere Axialkraft eigens für das Dichten ist nicht erforderlich. Die Dichtheit wird durch den Anpressdruck des O-Ringes an die Mantelinnenfläche des Rohres sichergestellt. Eine Be-schädigung bzw. Verformung der Stirnseitenoberfläche des Rohres wird durch die Anwendung dieser Dichtvariante vermieden. Diese Art des Ab-dichtens wird vorwiegend bei geringen bis mittleren Umformdrücken, auch bei sehr dünnwandigen Bauteilen eingesetzt.

Wirkmediumpi

Abb. 4.7. Dichten mit O-Ring-Dichtung nach [127]

Andockstempel mit gestufter Dichtung Bei dieser Variante (Abb. 4.8.) wird am Stempelkopf eine stufenförmige Dichtfläche angebracht. Das Einwirken einer Axialkraft führt zur Verfor-mung der Stirnflächen am Rohr. Durch die Verformung in diesem Bauteil-bereich kann eine Dichtheit erzielt werden, die sehr hohen Drücken stand-hält. Wegen der für das Dichten benötigten Axialkraft der Stempel und der damit verbundenen Verformung der Stirnflächen des Bauteils ist von einer Anwendung bei der Umformung sehr dünnwandiger Bauteile abzusehen.

Wirkmediumpi

Abb. 4.8. Dichten mit gestufter Dichtung nach [127]


Andockstempel mit Ringzackendichtung Die Wirkungsweise der Ringzackendichtung (Abb. 4.9.) ist der der gestuf-ten Dichtung sehr ähnlich. Eine entsprechend hohe Bauteilwanddicke vor-ausgesetzt, wird auch hier durch eine Verformung der Stirnflächen des Bauteils eine Dichtung erzeugt, die hohen Umformdrücken standhält. Da eine selbsttätige Zentrierung des Schiebestempels nicht möglich ist, müs-sen die Stirnflächen eine relativ hohe Genauigkeit besitzen. Die Fertigung der Ringzacke ist aufwändiger als die Fertigung der treppenartigen Form bei gestufter Dichtung.

Wirkmediumpi

Abb. 4.9. Dichten mit Ringzackendichtung nach [127]

Andockstempel mit Konusdichtung Unter Einwirkung einer Axialkraft verformt der Konus am vorderen Ende des Schiebestempels das Rohr an der inneren Mantelfläche (Abb. 4.10.). Die durch den Konus erzeugte zusätzliche Radialkraft führt zu einer erhöh-ten Flächenpressung zwischen Gravurwand und Bauteilmantelfläche, wes-halb ein Schieben von Werkstoff nur in sehr geringem Maße möglich ist. Diese Art der Abdichtung lässt auch größere Umformdrücke zu, für eine Umformung dünnwandiger Bauteile ist sie jedoch nicht zu empfehlen.

Wirkmediumpi

Abb. 4.10. Dichten mit Konusdichtung nach [127]


Andockstempel mit Keilelementdichtung Die kegelstumpfartige Form des Stempelkopfs (Abb. 4.11.) bewirkt ein Aufweiten des umzuformenden Rohres/Profils, was ein Klemmen der Bau-teilwand zwischen Stempel und Werkzeuggravur zur Folge hat. Die durch das Aufweiten verursachte Formänderung des Bauteils lässt ein Schieben von Werkstoff nicht zu. Diese Dichtung ist relativ verschleißarm und kann bei hohen Umformdrücken sowie bei der Umformung dünnwandiger Bau-teile eingesetzt werden.

Wirkmediumpi

Abb. 4.11. Dichten mit Keilelementdichtung nach [127]

Andocksysteme für Hydro-Umformwerkzeuge beim Umformen von Blechen Bei der Hydro-Blechumformung, insbesondere der Doppelplatinen-Verar-beitung, kommt der Anwendung von Andock- und Dichtsystemen eine be-sondere Bedeutung zu. Die Andocksysteme müssen den erforderlichen Umformdruck des flüssigen Wirkmediums gegenüber dem atmosphäri-schen Außendruck abdichten und oft noch einen Werkstofffluss aus dem Flanschbereich ins Werkzeuginnere gewährleisten.

Dabei kann das Andocksystem seitlich durch den Flansch gehend oder in einer Werkzeughälfte angeordnet werden. Hier wird i.d.R. mit einer Lanzenkonstruktion gearbeitet (Abb. 4.12.).

Lanze seitlich durch

Flansch ohne Vorloch

Lanze von oben

mit Vorloch

Werkzeugunterteil

Werkzeugoberteil

Doppelplatine

Abb. 4.12. Andocksystemvarianten bei der Doppelblech-Umformung


Die bisher bekannten Dichtsysteme für die Innenhochdruck-Blech-umformung sind nachfolgend nach ihrer Verwendung für die Doppelplati-nen-Umformung und nach Ort und Funktion des Andocksystems geglie-dert.

Andocksystem mit Einlaufkanal im Flanschbereich In Abb. 4.13. ist die Funktionsweise dieser in der Industrie bewährten An-dockvariante dargestellt. Voraussetzung für die Anwendung des Andock-systems ist das Verschweißen zweier Platinen zu einer Doppelplatine, wo-bei die untere einen Kragen mit Loch aufweisen muss. Beim Schließen des Werkzeugs wird die halbkugelförmige Erhöhung des unteren Werkzeug-teils in die entsprechende Mulde des oberen Teils eingesenkt. Dabei drückt die halbkugelförmige Erhöhung des unteren Werkzeugteils gegen die Pla-tinen und die obere Platine legt sich bis zur vollständigen Schließung des Werkzeugs in der Mulde an. Ein gegenüber dem Durchmesser der Erhö-hung kleinerer Lochdurchmesser der unteren Platine dient deren Abdich-tung. Bei geschlossenem Werkzeug stellt sich eine metallische Dichtung ein. Durch das Zusammenwirken mehrerer Andocksysteme kann die Füll-geschwindigkeit erhöht werden. Da der Stofffluss im Bereich des Andock-systems behindert wird, sollte das Andocksystem in Abschnitte mit gerin-gem Werkstofffluss gelegt werden [150].

Oberteil

obere Platine

untere Platine mit Loch

Unterteil

kalottenförmigeMulde

Ringzacken

Kragen

halbkugelförmigeErhöhung

Einlaufkanal

Andocksystem

Einlaufkanal

Werkzeugoberteil

Formraum

verschweißteBlechpartien

Werkzeugunterteil

Abb. 4.13. Andocksystem mit Einlaufkanal im Flanschbereich nach [150]


Andocksystem mittels Spaltmeißel Bei dem in Abb. 4.14. dargestellten Dichtsystem sind die beiden Platinen bis auf eine Stelle verschweißt. Bei geschlossenem Werkzeug gelangt der Spaltmeißel in den unverschweißten Bereich zwischen den Platinen. Die Gestaltung der Werkzeughälften im Andockbereich gewährleistet das rela-tiv unkomplizierte Eingleiten des Spaltmeißels. Die Abdichtung erfolgt durch die plastische Verformung der Platinen.

obere Platine

untere Platine

Spaltmeißel

Einlaufkanal

Eindringfläche

Abb. 4.14. Andocksystem mittels Spaltmeißel nach [148]

Andocksystem mit eingelegtem Anschlussstutzen Der erste Schritt bei diesem Verfahren besteht im Einlegen eines An-schlussstutzens in den unverschweißten Flanschbereich der Platine bei ge-öffnetem Werkzeug. Durch das Schließen des Werkzeugs erfolgt eine Plastifizierung und damit Abdichtung der Platine in diesem Bereich (Abb. 4.15.). Durch mehrere parallel angeordnete, im Flanschbereich integrierte Andocksysteme kann eine zügigere Befüllung erreicht werden.

Werkzeugoberteil

Anschlussstutzen

Werkzeugunterteil

Werkzeugoberteil

Werkzeugunterteil

Formraum

Platinen

verschweißte Platinen

Anschlussstutzen

Abb. 4.15. Prinzipskizze des Andocksystems mit eingelegtem Anschlussstutzen nach [154]

Andocksystem mit RingkanalBei diesem Dichtsystem wirkt ein durch die Spannflächen der beiden Werkzeughälften gebildeter Ringkanal als Befüllungseinheit. Das Wirk-medium gelangt über den Ringkanal in die Trennfuge zwischen den beiden Platinen. Eine Elastomerdichtung wirkt als Abdichtung zwischen Werk-zeug und Platine (Abb. 4.16.). Eine Verschweißung der zu Anfang unver-schweißten Platinen kann nach dem Umformprozess erfolgen [154].


Einlaufkanal

Werkzeugoberteil

Werkzeugunterteil

unverschweißteBlechplatinen

Ringkanal

Elastomerdichtung

Abb. 4.16. Andocken mittels Ringkanal nach [154]

Andocksystem mit aufgesetztem Anschlussstutzen Bei diesem Dichtsystem wird eine Abdichtung außerhalb der Werkzeug-trennebene mittels Anschlussstutzen realisiert (Abb. 4.17.). Dabei wird der Anschlussstutzen direkt auf die mit einer Öffnung versehene Platine aufge-setzt.

In einer anderen Variante des Prinzips findet die Abdichtung des An-schlussstutzens durch Andrücken mittels Federkraft statt. In beiden Vari-anten muss der Anschlussstutzen die gleichen vertikalen Bewegungen aus-führen wie das Werkstück [127, 154].

Formraum

Werkzeugoberteil

Werkzeugunterteil

Anschlussstutzen

verschweißte Blechplatinen

Führungen Druckfeder

Druckplatte

Abb. 4.17. System mit aufgesetztem Anschlussstutzen nach [127]

Andocksystem über eine Zwischenplatte In diesem Fall übernimmt eine zwischen die beiden unverschweißten Pla-tinen gelegte Zwischenplatte die Druckmittelzuführung, die Blechhalter-funktion und die Abdichtung (Abb. 4.18.). In die Zwischenplatte sind Elastomerdichtungen eingebracht, die die Platinen gegen die Zwischen-platte abdichten. Über Bohrungen und Kanäle in der Zwischenplatte wird das Wirkmedium zugeführt [149].


Werkzeugoberteil

Werkzeugunterteil

Zwischenplatte

Einlaufkanäle

Dichtung

Platinen

Formraum

Abb. 4.18. Andocksystem mit Zwischenplatte nach [149]

Andocksystem mittels beweglicher LanzeEin weiteres Andocksystem wird mit Hilfe einer beweglichen Lanze reali-siert (Abb. 4.19.). Dabei wird die Lanze auf eine der beiden Platinen ge-presst und so eine kegelstumpfförmige Umformung der Platine im Bereich des Fülllochs hervorgerufen. Der Innendruck zwischen den beiden Platinen presst die Kegelmantelfläche gegen den Lanzenkopf und ermöglicht so die Dichtheit zwischen Andocksystem und Platine. Die Lanze wird am Anfang auf die Position der Dichtebene ausgerichtet. Die Platinen werden ausge-formt, und die Lanze wird dem Umformweg entsprechend zurückbewegt.

Andocksystem

Werkzeugoberteil

Werkzeugunterteil

unverschweißteBlechplatinen

Lanze

Abb. 4.19. Andocksystem mit beweglicher Lanze nach [9]

Dieses Andocksystem kann vereinfacht für eine Prototypenfertigung eingesetzt werden. Dabei wird die bewegliche Lanze durch ein starres, auf-geschraubtes System ersetzt.

Andock- und Dichtsystem im Flanschbereich Dieses Dichtsystem ist durch das Füllen und Dichten der Platinen im Flanschbereich gekennzeichnet (Abb. 4.20.). Eine der beiden verschweiß-ten Platinen ist mit einem Loch versehen, gegen das mittels eines Federpa-kets eine Anpressplatte gedrückt wird. Ein O-Ring fungiert dabei als Ab-dichtung der Platine gegen die Anpressplatte, da eine metallische Dichtung allein durch die Flächenpressung an der Platine nicht erreicht werden kann [127].


pi

Werkzeug-oberteil

Werkzeug-unterteil

PlatinenDichtung

Anpressplatte

Federnpaket

Abb. 4.20. Prinzipskizze zum Dichtsystem im Flanschbereich nach [127]

Die vorgestellten Andocksysteme stellen eine Auswahl technisch er-probter Lösungen dar. Für den spezifischen Anwendungsfall sind die kon-struktiven Gegebenheiten im Werkzeug, die verfügbare Umformanlage und die geforderten Werkstückgeometrien zu berücksichtigen.

4.1.2 Belastung

Das Belastungssystem im IHU-Prozess setzt sich aus mehreren Kompo-nenten zusammen, die mit unterschiedlicher Intensität in Wechselwirkung zum Werkzeug stehen:

− Fschließ Schließkraft− Fgegen Gegenhaltekraft − Faxial Axialkraft zum Abdichten und Nachschieben von Werkstoff − pi Innendruck− Freib Reibkraft

Die Schließkraft ist die einzige Komponente, die direkt auf das Werk-zeug wirkt. Innendruck und Axialkraft werden nur mittelbar über das Bau-teil auf das Werkzeug übertragen. Die größten Schließkräfte sind bei gro-ßen Bauteilen und hohen Kalibrierdrücken erforderlich. Wird die volle Schließkraft bereits zu Beginn des Umformprozesses aufgebracht, muss das Werkzeug diese Kraft allein aufnehmen und wird hierbei schon erheb-lich beansprucht. In Abb. 4.21. wird deutlich, wie sich eine Schließkraft von 6.000 kN auf ein Werkzeugsegment auswirkt.

Abbildung 4.22. verdeutlicht die starke Beanspruchung vor allem der Gravurkanten. Wird das Halbzeug mit Innendruck beaufschlagt, erfolgt ei-ne Verteilung der Belastung in die gesamte Werkzeuggravur. In der Abbil-dung sind die Belastungen für zwei unterschiedliche Innendrücke darge-stellt. Das obere Werkzeugsegment wurde mit einem Innendruck von 2.000 bar, das untere mit 4.000 bar beansprucht.


Dehnung

[µm/m]

Vergleichs-

spannung

[N/mm2]

8.00E+02

7.11E+02

6.22E+02

5.33E+02

4.44E+02

3.55E+02

2.67E+02

1.78E+02

8.89E+01

0.00E+00

3.40E-03

3.02E-03

2.64E-03

2.27E-03

1.89E-03

1.51E-03

1.13E-03

7.56E-04

3.78E-04

0.00E+00

Abb. 4.21. Spannungen/Dehnungen ohne Innendruck bei einer Schließkraft von 6.000 kN

Dehnung

[µm/m]

Vergleichs-

spannung

[N/mm2]

8.00E+02

7.11E+02

6.22E+02

5.33E+02

4.44E+02

3.55E+02

2.67E+02

1.78E+02

8.89E+01

0.00E+00

3.40E-03

3.02E-03

2.64E-03

2.27E-03

1.89E-03

1.51E-03

1.13E-03

7.56E-04

3.78E-04

0.00E+00

Abb. 4.22. Werkzeugbelastungen bei einem Innendruck von 2.000 bar (oben) und 4.000 bar (unten)

Dabei sollte ein ideal gleichmäßiger Kontaktdruck des Werkstücks mit der Gravur nicht vorausgesetzt werden. Typische gefährdete Bereiche sind Nachschiebezonen (Eintauchwege) der Axialstempel und Geometrieberei-che der Gravur, über denen ein Fließrichtungswechsel des Werkstoffs stattfindet. Abbildung 4.23. verdeutlicht diese Aussagen.


Fradial

Faxial 1 Faxial 2

Befestigung Folie

195

> 130 N/mm2 80 N/mm2 > 130 N/mm2

35

Abb. 4.23. Zonen differenzierter Kontaktdruckverteilung Werkzeug-Mantelfläche eines IHU-T-Stücks ∅ 60,3 mm bei pi = 500 bar, FUJI-Druckmessfolie (High Pressure) nach [80]

Neben der Gravurbelastung kann es aufgrund der Schließkraft und des Innendrucks zu Verschiebungen bzw. zum Aufweiten von Segmenten kommen, was in Abb. 4.24. beispielhaft dargestellt ist.

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Au

fwe

itu

ng

in

µm

2 4 6 8 10 12 14 16

Prozesszeit in s

0

-70

-80

Schließkraft

1.135 kN

2.270 kN

3.690 kN

5.100 kN

6.500 kN

Abb. 4.24. Messschrieb für die Aufweitung eines Werkzeugsegments bei unter-schiedlichen Schließkräften nach [79]

Das Aufsetzen des Stößels bewirkt zuerst eine Verlagerung des Seg-ments im Rahmen des Passspiels. Während des Prozesses wird das Seg-ment in horizontaler Richtung aufgeweitet. Nach der Entlastung und dem


Öffnen des Stößels „findet“ das Segment seine Ausgangsposition nicht wieder, d.h. es bleibt um einen minimalen Betrag von etwa 6 µm verscho-ben. Die Gründe dafür liegen hauptsächlich in einer unzureichenden Pass-genauigkeit von Segment und Grundkörper. Abbildung 4.25. zeigt mögli-che Ungenauigkeiten zwischen Grundkörper und Segment.

Segment

Grundkörper

Abb. 4.25. Ungenauigkeiten zwischen Grundkörper und Segment

Als sehr kritisch in der Auslegung sind Durchbrüche für Schieber und Lochstempel zu betrachten. Extrem schwächende Durchbrüche müssen vermieden werden. Es wird empfohlen, Nachschiebebereiche komplexer Werkzeuge austauschbar zu gestalten und mit einem größeren Sicherheits-faktor auszulegen.

Ein anderer Weg ist möglich, wenn die Ankonstruktion lediglich als Nachschiebebereich dient und nicht Bestandteil der Hauptgeometrie ist. Das Aktivteil wird dann begrenzt elastisch gehalten und nur im Oberflä-chenbereich gehärtet.

4.1.3 Berechnungsmethoden

Die Auslegung von Hydro-Umformwerkzeugen geht von der maximal zu erwartenden Belastung der Gravur aus. Gestaltungsrichtlinien für Grund-körper und Aktivteile, wie sie aus der konventionellen Umformung be-kannt sind, gehören zum Know-how der einzelnen Werkzeughersteller und basieren auf Expertenwissen. Entscheidende Einflussfaktoren auf die kon-struktive Gestaltung sind neben der Werkstückform und den zu erwarten-den Prozessparametern

− die vorgesehenen Stückzahlen, − die benötigten axialen und radialen sowie sonstigen Funktionen und − die Einbaubedingungen.

Die Dimensionierung ist bei jedem Bauteil sehr spezifisch. Grundsätz-lich müssen die Hydro-Umformwerkzeuge bezüglich des zu erwartenden Innendrucks sowie der Schließ- und der Nachschiebekraft hinreichend ausgelegt werden. Für die Berechnungen können in Anlehnung an [177, S. 180] folgende Gleichungen verwendet werden:


Innendruck pi:

102

200

0 ⋅⋅−

⋅⋅=sD

Rsp mberst [bar] (4.2)

D0 Rohrausgangsdurchmesser [mm] pberst Berstdruck [bar] Rm Zugfestigkeit des Werkstoffs [MPa] s0 Ausgangsblechdicke/Ausgangswanddicke [mm]

bersti pp ⋅≈ 5,1 [bar] (4.3)

Schließkraft Fschließ:110−⋅⋅= projischließ ApF [N] (4.4)

Aproj projizierte Fläche [mm²] pi Innendruck [bar]

Nachschiebekraft Fnach:110−⋅⋅= nachinach ApF [N] (4.5)

Anach Stirnfläche des Nachschiebestempels [mm²] pi Innendruck [bar]

Auch die Gravurgöße ist für den Werkzeugeinsatz von Bedeutung. So spielen Gravurtiefe und -breite für die Dimensionierung der Werkzeughö-he und -breite eine entscheidende Rolle. Bei folgenden Annahmen für Einsatzhöhe Z und Einsatzbreite Y (Abb. 4.26.) ergeben sich im Einsatz bei einem optimalen Verhältnis zwischen Einsatzhöhe und Einsatzbreite minimale Spannungswerte bei ausreichender Dimensionierung. Eine Ver-größerung der Einsätze über diese Maße hinaus, auch bei Einhaltung der geometrischen Verhältnisse, bringt keine weiteren Vorteile.

Für Formeinsätze gelten folgende geometrische Parameter [190]:

Bodendicke des Einsatzes H:

hH ⋅= 4 [mm] (4.6)

h Gravurtiefe [mm]

Seitendicke des Einsatzes B:

bB ⋅= 2,1 [mm] (4.7)

b Gravurbreite [mm]


Einsatzhöhe Z:

hhHZ ⋅=+= 5 [mm] (4.8)

Einsatzbreite Y:

bbBY ⋅=+⋅= 4,32 [mm] (4.9)

b

h

Z

Y

H

B

Abb. 4.26. Geometrische Parameter bei Formeinsätzen für IHB- und IHU-Werkzeuge

Die so ermittelten Mindestquerschnitte werden mit einem Sicherheits-faktor belegt und können auf das Gesamtwerkzeug angewandt werden. Für sehr komplexe Werkstückgeometrien gestaltet sich eine konventionelle Berechnung sehr schwierig, so dass hier auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) zurückgegriffen werden sollte. In [11] und [59] wird auf die An-wendung dieser Methode beim wirkmedienbasierten Umformen eingegan-gen.

Für die Ermittlung der Werkzeugbelastung wird nach zwei möglichen Methoden vorgegangen:

− FEM-Umformsimulation mit starren Werkzeugen − FEM-Umformsimulation mit elastischen Werkzeugen

Umformsimulation mit starren Werkzeugen Derzeitiger Stand der Technik in der Umformsimulation ist die Beschrei-bung der Werkzeugflächen mittels CAD und anschließendes Umwandeln dieser Flächen in Flächennetze für die FEM-Programme. Die Werkzeug-flächennetze werden von den FEM-Programmen weitestgehend automa-tisch erzeugt (s. Abb. 4.27.).

Diese Netze werden im Allgemeinen als starre Körper betrachtet, d.h. eine Deformation dieser Körper wird während des Umformprozesses nicht zugelassen. Die Umformsimulation mit diesen starren Werkzeugen ermög-licht eine schnelle Aussage zur Machbarkeit eines Bauteils im Bauteilent-


wicklungsstadium sowie erste Abschätzungen über auftretende Kräfte (Abb. 4.28.) an den Werkzeugen. Mit dieser Berechnungsmethode kann die Pressenauswahl getroffen werden, es ist jedoch keine Aussage über den Ort der höchsten Belastung möglich.

Abb. 4.27. Darstellung eines Werkzeug- und Bauteilnetzes für ein T-Stück im ausgeformten Zustand (unter Ausnutzung der Bauteilsymmetrien reduziert sich das T-Stück auf ein Viertel-Modell)

0

60

90

120

150

0 3 6 9 12

30

Ko

nta

ktk

ra

ft T

-Stü

ck

– W

erk

ze

ug

in

kN

Zeit in ms

Abb. 4.28. Darstellung der auftretenden Kontaktkräfte auf ein Viertel des Werk-zeugs

Durch eine Zerlegung des Werkzeugflächennetzes in verschiedene Flä-chensegmente ist es möglich, die Orte größerer Belastung von Orten niede-rer Belastung zu differenzieren. Somit kann eine erste Entscheidung über Wanddicken des Werkzeugs in kritischen Querschnitten getroffen werden. Die Segmentierung bewirkt keine Veränderung der Werkzeugflächen, muss aber vom Berechnungsingenieur „von Hand“ vorgenommen werden, was einen höheren Zeitaufwand für die FEM-Modellierung bedeutet.


FEM-Umformsimulation mit elastischen Werkzeugen Damit die elastische Verformung des Werkzeugs in der FEM-Umform-simulation berücksichtigt werden kann, müssen die Werkzeuge in den FEM-Programmen als Volumenkörper betrachtet werden. Hierzu werden 3D-CAD-Volumenmodelle mit Volumenelementen vernetzt und in das FEM-Programm übernommen. Diesem Volumennetz werden Daten für Werkzeugwerkstoffe übergeben, anschließend wird der Umformprozess simuliert. Im Ergebnis lassen sich die Ausformung des Teils sowie die Werkzeugdeformation während des Umformprozesses beurteilen. Mit Hil-fe einer Schwachstellenanalyse kann auf die Konstruktion der Werkzeuge eingewirkt werden. So lässt sich beispielsweise ein Werkzeugbruch im Vorfeld abschätzen und damit konstruktiv verhindern.

Auf der linken Seite der Abb. 4.29. ist der Werkzeugaufbau für ein aus-geformtes T-Stück, auf der rechten Seite die Spannungsverteilung im Werkzeug dargestellt. Die besonders belastete Ecke wird mit einer Belas-tung von ca. 180 N/mm² als unkritisch eingeschätzt.

Von_Mises_Stress [GPa]

0,0156

0,0274

0,0392

0,0509

0,0627

0,0745

0,0862

0,098

0,1098

0,1216

0,1333

0,1451

0,1569

0,1686

0,1804

Abb. 4.29. Darstellung des FEM-Volumenmodells für ein T-Stück-Werkzeug (links), Vergleichsspannungsverteilung im Werkzeug (rechts)

Abbildung 4.30. veranschaulicht die Flächenpressungen an der Werk-zeugoberfläche zu Beginn und am Ende des Umformprozesses. Der Be-reich der Rohranlage ist durch höhere Flächenpressungen gekennzeichnet. Mit steigendem Ausformdruck nimmt die Flächenpressung zu. Die Auf-dickung am Rohrende bewirkt ebenfalls eine Erhöhung der Flächenpres-sung.


Pressure_magnitude [GPa]

0,015

0,0318

0,0486

0,0654

0,0821

0,0989

0,1157

0,1325

0,1493

0,1661

0,1829

0,1996

0,2164

0,2332

0,25

Abb. 4.30. Flächenpressung auf der Werkzeugoberfläche zu Beginn (links) und am Ende (rechts) des Umformprozesses

4.1.4 Beschichtungen

Reibwerte spielen bei Hydro-Umformprozessen eine entscheidende Rolle. Mit größerem Kontaktdruck infolge steigenden hydrostatischen Drucks im Halbzeug erhöhen sich die Reibkräfte zwischen Werkzeug und Werkstück. Von dieser Größe sind die erzielbaren Umformgrade stark abhängig. Schmiermittel, die vor dem Prozess auf das Halbzeug und/oder die Werk-zeuggravur aufgetragen werden, reduzieren die Reibkräfte. Allerdings kommt es beim Einsatz von Schmierstoff zu zwei entscheidenden Nachtei-len. Einerseits kann wegen der hohen Flächenpressungen nicht immer ein durchgängiger Schmierfilm garantiert werden (Abrissgefahr), andererseits sind Rückstände im Wirkmedium nicht zu vermeiden.

Um dem entgegenzuwirken, kommen z.T. auch Werkzeugbeschichtun-gen zum Einsatz. Eine derartige Beschichtung bewirkt neben einer Verrin-gerung der Reibkräfte auch eine geringere Adhäsionsneigung, was wieder-um zur Minimierung von Verschleißerscheinungen am Werkzeug und damit zur Erhöhung der Standmengen führt. Industriell kommen vor allem Diffusionsschichten zum Einsatz, die oft nur im Bereich weniger Mikro-meter liegen. Diffusionsschichten werden insbesondere mit dem Ziel ein-gesetzt, die Härte und die Verschleißfestigkeit oberflächennaher Bereiche zu erhöhen [129]. Als typische Verfahren sollen hier Nitrieren, Nitrocarbu-rieren sowie Borieren und Chromieren genannt werden.

Aber auch kohlenstoffbasierte Beschichtungen haben sich im Bereich der Fertigungstechnik durchgesetzt. PVD (Physical Vapour Disposition)- und CVD (Chemical Vapour Disposition)-Verfahren ermöglichen die Ab-scheidung einer Vielzahl verschiedener Materialien. Dadurch lassen sich die Schichten optimal den zu bearbeitenden Werkstoffen anpassen [15].


Mit diesen Verfahren können unter anderem metallharte Schichten (Me-DLC), Titannitrid-Beschichtungen (TiN), harte amorphe Kohlenwasser-stoff-Schichten oder modifizierte DLC (Diamond Like Carbon)-Schichten mit angepasster Benetzbarkeit hergestellt werden.

Für das Hydro-Umformen kommen neben den häufig verwendeten Chromschichten auch HF-DLC-Beschichtungen zur Anwendung, bei de-nen die Anregung des Plasmas für die Abscheidung mittels Hochfrequenz (HF: 13,56 MHz) erfolgt. Diese HF-DLC-Schichten werden in der Werk-zeuggravur aufgetragen. Abbildung 4.31. zeigt ein DLC (Diamond Like Carbon)-beschichtetes Versuchswerkzeug [80] zum Ausformen eines T-Stücks.

Abb. 4.31. DLC-beschichtetes Versuchswerkzeug

Mit dieser Beschichtung ist es möglich, die Reibkräfte während des Prozesses um bis zu 35% zu verringern. Weiterhin wird vor allem beim Einsatz von Edelstahlrohren eine deutliche Verbesserung der Oberflächen-qualität erzielt. Begründet werden kann dies mit der extrem glatten Ober-fläche der DLC-Schicht. Bei der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen sollte eine DLC-Beschichtung jedoch nur angewendet werden, wenn kein signifikantes Nachschieben erforderlich ist, da diese Werkstoffkombinati-on ein ungünstiges Reibungsverhalten aufweist.

4.2 Werkzeugfertigung und -wartung

4.2.1 Bearbeitungscharakteristik

Die Fertigung von Hydro-Umformwerkzeugen ist häufig durch die Reali-sierung hoher Spanvolumina gekennzeichnet. Dies betrifft sowohl die Be-arbeitung tiefer Taschen bzw. Freimachungen in Werkzeuggrundkörpern mit Einsätzen und Schiebern als auch die Gravurbearbeitung dreidimensi-onal im Raum verlaufender Bauteile.

4.2 Werkzeugfertigung und -wartung 191

Fräsen und Bohren sind die Hauptbearbeitungsverfahren zur Werkzeug-herstellung, wobei das Fräsen mit ca. 75% der benötigten Fertigungszeit deutlich überwiegt. Analysen in Firmen des Werkzeug- und Formenbaus ergaben weiterhin, dass innerhalb des Bearbeitungsverfahrens Fräsen die Schruppoperation sowohl der Grund- als auch Formbearbeitung mit 70 bis 80% der benötigten Hauptzeit signifikant ist. Die Schlichtoperation ist mit 20 bis 30% deutlich geringer beteiligt. Damit stellt die Schruppoperation einen wesentlichen Zeit- und Kostenfaktor dar.

Beim Schruppen kann eine Verfahrensoptimierung durch Einsatz unter-schiedlicher Werkzeugkonzepte realisiert werden. Besonders die Bearbei-tungsstrategie Bohrschruppen (Hauptabschn. 4.2.2) ist für leistungsfähige Werkzeugmaschinen bezüglich Drehmoment und Antriebsleistung vorteil-haft einsetzbar.

Beim Schlichten werden Bearbeitungszeiten und -kosten sowie erreich-bare Oberflächenqualitäten durch die dynamischen Maschineneigenschaften (Ruck, Beschleunigung, Verfahrgeschwindigkeit) signifikant beeinflusst. Für tiefe Kavitäten sowie flach gekrümmte Oberflächen sind 5-Achs-Simultanbearbeitungsstrategien vorteilhaft einsetzbar. Die Anwendung to-rischer Werkzeuge ermöglicht gegenüber der Bearbeitung mit Kugelkopf-werkzeugen Bearbeitungszeitreduzierungen von bis zu 80%. Wesentliche Voraussetzungen für diese effiziente Bearbeitung stellen das CAM-System mit den integrierten Funktionen Kollisionserkennung und Kollisionsver-meidung sowie Maschinenkonzepte mit hochdynamischen Antrieben und Steuerungen dar. Konturabweichungen kleiner 0,03 mm sind auch in ge-härteten Werkstoffen durch Fräsen erreichbar. Oberflächengüten Rz kleiner 1 µm gestatten die Substitution der manuellen Nacharbeit bzw. die Mini-mierung des Aufwandes.

4.2.2 Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen

4.2.2.1 Theoretische Vorbetrachtung

Bohrschruppen ist eine Fertigungsstrategie, bei der das Zerspanvolumen ausschließlich durch das Verfahren in Richtung der Z-Maschinenachse realisiert wird. Hierbei handelt es sich weder um ein klassisches Bohren ins Volle noch um ein herkömmliches Fräsverfahren.

Einsatzgebiet ist die Bearbeitung tiefer Gravuren, bei denen Werkzeug-längen-Durchmesser-Verhältnisse größer 2 bis 3 benötigt werden. Kenn-zeichen dieser Strategie ist ein seitliches Versetzen des Werkzeugs in der XY-Ebene und somit das Ausarbeiten der Gravur auf Basis eines aus den CAD-Daten abgeleiteten Bohrbildes. Haupteinflussfaktor auf die Anzahl der zu realisierenden Bohrungen ist hierbei die radiale Eingriffsbreite.


Diese stellt ein Maß für die Überdeckung benachbarter Bearbeitungsberei-che dar. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Werkzeugty-pen, und zwar Werkzeuge mit und ohne Zentrumsschneide.

Ein wesentlicher Bearbeitungsvorteil der Werkzeuge mit Zentrums-schneide ist der große radiale Versatz und somit die resultierende axiale Verspannung. Bei Werkzeugen ohne Zentrumsschneide muss eine Begren-zung der radialen Eingriffsbreite erfolgen, welche sich nach der Wende-schneidplattenbreite richtet.

Eine Bewertung der Bearbeitungsstrategie „Bohrschruppen“ kann durch einen Zeitvergleich für die Bearbeitungsstufe „Schruppen einer Gravur“ erfolgen. Gegenübergestellt werden die üblichen Bearbeitungsstrategien der Werkzeug- und Formenbauer. Hierbei wird als Resultat der Bearbei-tung eine Werkstückkontur mit gleichmäßigem Aufmaß definiert. Folgen-de Bearbeitungsvarianten werden verglichen:

− Bohrschruppen (Typ I mit Zentrumsschneide) mit anschließender Rest-materialbearbeitung (Abarbeitung des Restmaterials bis zur Sollgeome-trie)

− Bohrschruppen (Typ II ohne Zentrumsschneide) mit anschließender Restmaterialbearbeitung

− Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug (Schaftfräser mit Eckenra-dius)

− Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie mit anschließen-der Restmaterialbearbeitung

Die neuartige Werkzeuggeometrie mit modifizierter Schneidenform wurde speziell zur Vermeidung von Vibrationen entwickelt, die mit her-kömmlichen Werkzeugen bei größeren Auskraglängen auftreten. Die Be-arbeitung ist durch reduzierte Schnitttiefen bei hohen Vorschubgeschwin-digkeiten gekennzeichnet. Die eingesetzte Wendeschneidplattenform erfordert jedoch eine nachgelagerte Restmaterialbearbeitung in Form des Höhenlinienfräsens.

Abbildung 4.32. zeigt die theoretisch ermittelten Bearbeitungszeiten der untersuchten Bearbeitungsstrategien in Abhängigkeit von der Gravurtiefe. Der Durchmesserbereich für die zu realisierende Fräsbearbeitung wurde mit 30 bis 35 mm festgelegt. Die definierten Einsatzbedingungen blieben bei Variation der Gravurtiefe unverändert. Resultierend aus dem Einsatz-gebiet des Bohrschruppens sowie dem Werkzeuglängen-Durchmesser-Verhältnis ist der Gravurtiefenbereich größer 50 mm von Interesse.


0

120

Bearb

eit

un

gszeit

in

min Rohteilschruppen mit

torischem Werkzeug

Rohteilschruppen mit neu-

artiger Werkzeuggeometrie

Bohrschruppen

(Werkzeugtyp I)

Bohrschruppen

(Werkzeugtyp II)

Gravurtiefe in mm

60

80

40

20

100

20 40 60 80 1000

Abb. 4.32. Bearbeitungszeitvergleich bei einer Gravur 125 mm x 250 mm

Aus Abb. 4.32. können folgende Schlussfolgerungen abgeleitet werden:

− Das Bohrschruppen (Typ I) zeigt die kürzesten Bearbeitungszeiten, die Zeitdifferenz zur Bearbeitungsvariante Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie steigt mit zunehmender Gravurtiefe.

− Der Gewinn an Bearbeitungszeit gegenüber der Variante Rohteilschrup-pen mit torischem Werkzeug beträgt bis zu 50%.

− Der Vorteil der Bohrschruppvariante I gegenüber der Variante II ist in der Eingriffsbreite von 65% sowie der minimierten Nebenzeit für Posi-tionierung und Rückhub begründet. Wird der Bohrabstand mit nur 50% des Werkzeugdurchmessers definiert, gleichen sich die Bearbeitungszei-ten an.

− Die Bearbeitungsstrategie Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug ist allen anderen Strategien unterlegen.

4.2.2.2 Bearbeitung eines Referenzteils

Aus der theoretischen Vorbetrachtung wurde als bevorzugte Bearbeitungs-variante das Bohrschruppen (Typ I) abgeleitet. Zur Verifizierung dieser Ableitung diente die Bearbeitung eines Referenzteils auf einem UNION-Bohrwerk (Abb. 4.33.). Als Referenzteil (Abb. 4.34.) wurde ein Spritz-gießwerkzeug mit einer Gravur in den Abmessungen von ca. 250 mm x 250 mm mit einer maximalen Tiefe von 90 mm definiert.

Als Werkstoff wurde der höherfeste Warmarbeitsstahl X38CrMoV5-1 (1.2343) ausgewählt. Der Durchmesserbereich der einsetzbaren Werkzeu-ge liegt bei diesem Teil zwischen 40 und 50 mm. Das Werkzeuglängen-Durchmesser-Verhältnis beträgt somit zwischen 2 und 2,5.


Abb. 4.33. Bohrwerk PCR 150 mit hydrostatisch geführtem Tragbalken (UNIONWERKZEUGMASCHINEN GMBH)

Abb. 4.34. Bearbeitung des Referenzteils (UNION WERKZEUGMASCHINEN GMBH)


Für die Ermittlung des Einflusses der Maschinendynamik auf die Bear-beitungszeiten wurden berechnete Zeiten des CAM-Systems mit den rea-len Maschinenlaufzeiten verglichen. Unabhängig von den untersuchten Bearbeitungsstrategien konnten Korrekturfaktoren abgeleitet werden. Die-ser vorschubgeschwindigkeitsabhängige Faktor liegt zwischen 1,35 und 1,5 bei Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 2.000 mm/min und 6.000 mm/min.

Die optimale Annäherung der Schruppgeometrie an die zu realisierende Werkstückkontur wurde beim Bohrschruppen durch zwei Bearbeitungsstu-fen realisiert. Nach der Anwendung des Werkzeugs mit Zentrumsschneide (Typ I) wird zur Reduzierung des Restmaterials das Bohrschruppwerkzeug (Typ II) mit begrenzter radialer Eingriffsbreite eingesetzt. Als optimale Bearbeitungsparameter des Bohrschruppwerkzeugtyps I für die Startboh-rung und für die Erweiterung konnten eine Schnittgeschwindigkeit von 220 m/min sowie ein Zahnvorschub von 0,043 mm bzw. 0,072 mm unter Verwendung der inneren Kühlmittelzufuhr ermittelt werden. Als Vor-schubgeschwindigkeit des Werkzeugtyps II wurden 800 mm/min definiert, die radiale Eingriffsbreite betrug 7 mm. Anschließend erfolgte die Restma-terialbearbeitung durch Höhenlinienfräsen mit torischem Werkzeug, als Vorschubgeschwindigkeit wurde ein Wert von 2.500 mm/min abgeleitet.

Abbildung 4.35. zeigt den Vergleich der untersuchten Bearbeitungsstra-tegien

− Bohrschruppen mit Höhenlinienfräsen, − Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug und − Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie und Höhenlinien-

fräsen.

0

Bohrschruppen Rohteilschruppen mit

torischem Werkzeug

Rohteilschruppen

mit neuartiger

Werkzeuggeometrie

Be

arb

eit

un

gs

ze

it i

n m

in

62

131

115

40

80

120

160

Abb. 4.35. Bearbeitungszeitvergleich


Die reale Bearbeitungszeit der Bohrschruppstrategie betrug insgesamt 62,0 min, wobei für das Bohrschruppen 26,75 min und für das Restmateri-alfräsen 35,25 min aufgezeichnet wurden. Die Fertigungszeiten der Bear-beitungsstrategie Rohteilschruppen wurden mittels CAM-Systemzeit und entsprechenden Korrekturfaktoren ermittelt.

Aus der Übersicht kann abgeleitet werden, dass die Fertigungszeit bei Anwendung des Bohrschruppens auf 50% der Bearbeitungszeit der Strate-gie Rohteilschruppen mit torischem Werkzeug gesenkt werden kann. Hier-bei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die radiale Eingriffsbreite beim Fräsen mit torischem Werkzeug maximal 50% des effektiven Durch-messers betragen konnte. Mit Erhöhung der radialen Eingriffsbreite auf 100% des effektiven Durchmessers wird zwar der Effektivitätsvorteil des Bohrschruppens reduziert, jedoch kann immer noch ein zeitlicher Vorteil von über 25% ausgewiesen werden.

Die Strategie Bohrschruppen ist auch der Variante Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeuggeometrie überlegen. Nachteilig bei der Strategie mit neuartiger Werkzeuggeometrie wirkt sich die notwendige Restmaterialbe-arbeitung aus. Die Erhöhung der Eingriffsbreite beim Rohteilschruppen mit neuartiger Werkzeugschneide führt zu einer minimalen Fertigungszeit von ca. 53 min, die anschließend notwendige Restmaterialbearbeitung (Höhenlinienfräsen) erhöht die Bearbeitungszeit auf ca. 88 min. Ein Effek-tivitätsvorteil wird nur mit der Abbildung der Werkzeuggeometrie im CAM-System und der damit verbundenen Substitution der Restmaterialbe-arbeitung erreichbar sein.

Als Fazit der Referenzteilbearbeitung kann abgeleitet werden, dass die Bearbeitungsstrategie Bohrschruppen eine effektive Alternative zu den bisher bekannten Schruppstrategien im Werkzeug- und Formenbau dar-stellt.

4.2.3 Wartung

Um nachhaltig hohen qualitativen Ansprüchen gerecht werden zu können, müssen Hydro-Umformwerkzeuge in definierten zeitlichen Abständen ge-wartet werden. Wegen der während des Umformprozesses auftretenden hohen Flächenpressungen und großen Schließkräfte sind die Werkzeuge einer hohen Belastung ausgesetzt. Folgende Fakten sollten bei einer visuel-len Prüfung der Werkzeuge betrachtet werden:

− Setzungserscheinungen im Werkzeuggrundkörper oder an den Segmen-ten

− Einrisse sowie Absplitterungen an den Aktivteilen und Dichtstempeln

4.3 Tryout und Werkzeugerprobung 197

− Gravurbeschädigungen, speziell im Nachschiebebereich (z.B. Riefen, erhöhte Rauheit)

− Parallelität der Teilungsebene

Trotz des Einsatzes von Abstimmplatten kann es zu Setzungserschei-nungen kommen. Dabei entstehen plastische Deformationen, die nur mit-tels mechanischer Bearbeitung oder Neuanfertigung kompensiert werden können. Aus diesem Grund sollten Abstimmplatten regelmäßig geprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden.

Vor allem beim Schließen des Werkzeugs kann es bei unterschiedlichen Halbzeugtoleranzen zum Abscheren von Werkstoff kommen, der dann zwischen die beiden Werkzeughälften gelangt. Die Folge sind mögliche Absplitterungen von Gravurecken oder -kanten. Besonders scharfe Ecken in Höhe der Teilungsebene sollten auch während des Serienprozesses visu-ellen Kontrollen unterzogen werden.

Speziell in den Aktivteilen im Nachschiebebereich kann es aufgrund der hohen Reibkräfte zu Beschädigungen der Gravur kommen. Um solche Schäden möglichst auszuschließen, sollten die eingesetzten Halbzeuge entgratet und von jeglichen Spänen befreit werden.

Eine ständige Säuberung der Gravur nach jedem Umformprozess hat sich zur Vermeidung von Spanablagerungen im Werkzeug bewährt. Mit-tels Luftdruck erfolgt ein schnelles Reinigen, wobei Späne und restliches Fluid entfernt werden. Werden Trockenschmierstoffe im Hydro-Umform-prozess verwendet, müssen eventuelle Ablagerungen des Schmiermittels aus der Gravur des Werkzeugs entfernt werden.

Die Parallelität der Teilungsebene ist für die Maßgenauigkeit der herzu-stellenden Bauteile von größter Bedeutung. So kann es bei Nichteinhaltung zu Abdrücken der Teilungsebene im Bauelement kommen. Vor allem bei hohen Stückzahlen sollte daher die Parallelität regelmäßig geprüft werden, um mögliche qualitative Veränderungen frühzeitig zu erkennen.

Nicht nur die Werkzeuggrundkörper und Segmente, sondern auch die Dichtstempel müssen in regelmäßigen Abständen während des Prozesses einer visuellen Kontrolle unterzogen werden. Selbst bei geringen Einrissen oder Abplatzungen sollten sie unverzüglich gewechselt werden, da es sonst zu hohen Druckverlusten und somit zur ungenügenden Ausformung des Bauteils kommen kann.

4.3 Tryout und Werkzeugerprobung

Die Realisierung eines qualitätsgerechten Bauteils ist nicht nur vom Ni-veau der Technologie und der Werkzeugkonstruktion sowie vom einge-


setzten Werkstoff bzw. Halbzeug, sondern auch von der praktischen Aus-führung des Hydro-Umformwerkzeugs abhängig. Tryout und Erprobung sowie Inbetriebnahme des Werkzeugs bestimmen nicht nur das Umform-ergebnis, sondern meist auch Werkzeuglebensdauer und -instandhaltungs-aufwand im Serienbetrieb.

Nach der Fertigstellung eines Hydro-Umformwerkzeugs ist dessen Ein-arbeitung und Erprobung durchzuführen. Diese Erprobung sollte mit der gleichen Umformanlage erfolgen, die auch in der Serienfertigung der Bau-teile verwendet wird. So können spezifische Eigenschaften der Anlage bei der Einarbeitung des Werkzeugs berücksichtigt werden.

Beim Einarbeiten oder „Einfahren“ eines neuen Werkzeugs, dem so ge-nannten Tryout, muss zwischen der Hydro-Umformung von Rohren und Profilen sowie der Hydro-Umformung von Blechen unterschieden werden.

Rohre und Profile Je komplizierter das Werkzeug ist, desto umfangreicher ist im Allgemei-nen der Aufwand beim Tryout.

Ein erstes Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften sollte bereits im Werkzeugbau, noch außerhalb der Presse, erfolgen (Kollisionsprüfung). Dann wird durch Tuschieren die Parallelität der oberen und unteren Schließflächen überprüft. Danach erfolgt das Schließen beider Werkzeug-hälften bei eingelegtem Halbzeug. Es wird geprüft, ob sich das Werkzeug ordnungsgemäß schließen lässt oder ob evtl. Werkstoff zwischen den Dichtflächen von Ober- und Unterwerkzeug eingeklemmt wird. Lässt sich ein Abquetschen von Werkstoff nicht vermeiden, so sind entweder am Halbzeug (z.B. Reduzieren des Durchmessers) oder am Werkzeug Ände-rungen vorzunehmen. Das gleichmäßige Tragverhalten des Werkzeugs wird durch Tuschieren überprüft. Dabei können „nicht tragende Bereiche“ in der Werkzeugtrennebene sichtbar gemacht werden. Sind hierdurch Qua-litätsmängel am Bauteil festzustellen, so ist das Werkzeug nachzubearbei-ten, bis das Werkstück den Qualitätsanforderungen entspricht.

Bei einer (mehrfach) gekrümmten Werkzeugkontur sind oftmals Ände-rungen an den Vorbiege- bzw. Vorformoperationen vorzunehmen, damit sich das Halbzeug problemlos einlegen und das Werkzeug ordnungsgemäß schließen lässt. Optimal ist ein Zustand, bei dem sich zwischen eingeleg-tem Halbzeug und Werkzeugkontur ein Abstand von ca. 1 mm einstellt.

Weiterhin kann ein Versatz der beiden Werkzeughälften zueinander ein-treten (Abb. 4.36.). Vor allem, wenn dies rechtwinklig zur Bauteillängs-achse geschieht, bildet sich die Trennebene auf dem Bauteil ab. Durch Einlegen von Stahlfolie zwischen die am Werkzeugrand befindlichen Gleitplatten sind geringfügige Korrekturen möglich. Diese Korrekturen sind jedoch maximal bis 0,2 mm zu empfehlen. Größere Versatzerschei-


nungen sind als Fertigungsfehler zu werten und können beim Tryout nicht kompensiert werden.

Versatz der beiden

Werkzeughälften

Abb. 4.36. Werkzeugversatz

Durch mehrmaliges Schließen des Werkzeugs unter voller Belastung muss auch das Führungsverhalten beweglicher Bauteile, wie Schieber für Nebenformelemente oder Locheinheiten, überprüft werden.

Ein weiterer Schwerpunkt ist das Abdichten der beiden Rohr- bzw. Pro-filenden mit einem speziell zum Werkzeug gehörenden Dichtstempel. Die Dimensionierung, insbesondere der Dichtkontur an der Stirnfläche, ist ex-akt auf das Halbzeug abzustimmen. Idealerweise ist der Dichtstempel hoch verschleißfest, besitzt also eine hohe Standzeit und belastet sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück nur minimal. Abbildung 4.37. zeigt ei-nerseits einen unbedingt zu vermeidenden Versatz der Achsen von Halb-zeug und Dichtstempel, andererseits eine mögliche Gestaltung der Stirn-fläche des Dichtstempels.

Achsversatz

Gestaltung

Dichtstempel

Abb. 4.37. Achsversatz zwischen Halbzeug und Dichtstempel sowie Gestaltung des Dichtstempels

Ist Dichtheit gewährleistet, erfolgt die eigentliche Gestaltung des Umformprozesses, indem die Druckaufbaukurve ermittelt wird. Bei reinen Kalibriervorgängen ist der maximal erreichbare Innendruck aus Wirt-schaftlichkeitsgründen möglichst schnell einzustellen. Ist ein axiales Nach-schieben des Halbzeugwerkstoffs erforderlich, müssen Axialkraft und In-nendruck exakt aufeinander abgestimmt werden, um möglichst viel Werkstoff ins Werkzeuginnere nachschieben zu können, ohne dass ein


Ausknicken, eine Faltenbildung oder ein zu starkes Aufdicken im Nach-schiebebereich auftreten. Auch die zurückzulegenden Wege des Axial-stempels sind wichtige Parameter beim Tryout, denn sie bestimmen nicht nur die Qualität des Bauteils (erreichbare Umformgrade, Wanddickenver-läufe), sondern auch die Reproduzierbarkeit des Prozesses.

Für das Umformergebnis ist eine Optimierung der Kombination der aus dem Innendruck resultierenden Zugspannungen mit den aus den Axialkräf-ten eingeleiteten Druckspannungen erforderlich. Die dabei erzielte Ver-gleichsspannung ist wichtig, um in jeder Phase des Umformprozesses das Fließen des Werkstoffs zu garantieren und vor allem das Ausknicken des Werkstoffs vor dem Fließen zu verhindern [19]. Nur eine kombinierte Zug- und Druckspannung ermöglicht die den Hydro-Umformprozess aus-zeichnenden großen Formänderungen.

Die Realisierung optimaler Druckaufbaukurven ist der intelligente Teil des Tryout, der sowohl auf der Erfahrung des Einrichters als auch auf einer vorherigen Prozesssimulation beruht.

BlecheBei der Hydro-Umformung von Blechen hat das Tuschieren der beiden Werkzeughälften eine besondere Bedeutung. Da kein „Hohlkörper“ vor-handen ist, in dem sich das Fluid befindet, muss die Abdichtung über die beiden, möglichst exakt parallel zueinander verlaufenden Dichtflächen von Werkzeugober- und -unterteil erfolgen.

Somit bedarf es unbedingt einer Überprüfung des Tragbildes, wenn das Ober- auf das Unterteil auffährt. Dies wird zunächst ohne und anschlie-ßend mit einer Zuschnittsplatine (bei Doppelplatinen-Verarbeitung mit zwei Platinen) realisiert (Abb. 4.38.).

keine ausreichendeFlächenpressungin diesem Bereich

festes Aufsitzen des Oberwerkzeugsauf diesem Bereich

Abb. 4.38. Ungenügendes Tragbild

Dabei wird eine wasserlösliche Paste (Tuschierpaste) sehr dünn auf eine Seite der Trennfläche zwischen Ober- und Unterwerkzeug (später auch auf die Zuschnittsplatine) gestrichen. Beim Schließen der beiden Werkzeug-hälften erfolgt ein Abdruck der Tuschierpaste auf der unbestrichenen


Werkzeughälfte. Dies erfolgt aber nur bei einem Aufeinandertreffen der beiden Trennebenen. An Stellen, die diesen Abdruck nicht aufweisen, be-steht ein Spalt zwischen Ober- und Unterwerkzeug. Es ist mit dieser Me-thode nicht quantifizierbar, welche Größe dieser Spalt aufweist. Immerhin können hiermit aber Spalte sichtbar gemacht werden, die sich im 1/1000 mm-Bereich bewegen. Im IHB-Prozess sind Spalte in der Trenn-ebene mit erhöhter Leckage verbunden und gehen damit stets mit Druck-verlust einher. Dieser Druckverlust schränkt die Ausformung des Bauteils ein und führt zu einem undefinierten Einfließverhalten des Bauteilwerk-stoffs in die Umformzone.

Abbildung 4.39. zeigt die Veränderung des Tragbildes nach dem Einar-beiten des Werkzeugs.

Tragbild nach dem Fräsen des Werkzeugs Tragbild nach dem Einarbeiten

Abb. 4.39. Veränderungen des Tragbildes nach dem Einarbeiten des Werkzeugs

Segmentierte Werkzeuge Viele Werkzeuge werden heute als segmentierte Werkzeuge ausgeführt. Die Segmentierung bietet vor allem Vorteile bei der Wärmebehandlung und beim Ersetzen stark verschlissener Gravurbereiche. Weiterhin können Bauteile mit gering voneinander abweichender Geometrie in einem Grundwerkzeug gefertigt werden. Der Zugang zu Locheinheiten etc. kann durch den Einsatz von Segmenten ebenfalls erleichtert werden. Durch die unterschiedlichen Beanspruchungen der Segmente in den einzelnen Berei-chen der Gravur sind oftmals Werkstoffauswahl und Wärmebehandlungs-art der Segmente unterschiedlich. Dies führt im Serieneinsatz zu differen-zierten Setzungserscheinungen der Segmente (Abb. 4.40.) und im


Weiteren zu Absätzen an der Bauteiloberfläche. Bei größeren Absätzen wird das Fließen des Werkstoffs zusätzlich behindert, was zur Beschädi-gung der Oberfläche bis hin zum Aufwerfen von Werkstoff führen kann. Sind die Absätze gering, kommt es dennoch zu optischen Abzeichnungen der Trennstellen auf dem Bauteil. Bei sehr hohen Belastungen kann es so-gar zum vorzeitigen Zerstören der Einsätze durch Bruch kommen.

Setzungserscheinungen der einzelnen

Segmente im Werkzeug

Segmente

Grundwerkzeug

Werkstück

Abb. 4.40. Setzungserscheinungen

Das unterschiedliche Verhalten der Werkzeugeinsätze ist in der Werk-zeugerprobung so weit zu minimieren, dass schadhafte Verletzungen der Bauteiloberfläche vermieden werden bzw. die optischen Abdrücke am Bauteil im vertretbaren Maße bleiben. Dies kann durch Anheben oder Ab-senken einzelner Segmente oder auch durch Vergrößern von Radien an den Trennstellen der Segmente erfolgen. Ein völlig abdruckfreies Bauteil ist mit einem segmentierten Werkzeug auf Dauer im Serienbetrieb nicht zu erreichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass ein hoher Flächentragan-teil zwischen den Segmenten und dem Grundwerkzeug die Voraussetzung für eine gute Maßhaltigkeit der Bauteile und eine hohe Lebensdauer des Werkzeugs ist. Hohe Flächentraganteile werden abgesichert, wenn die Passflächen exakt rechtwinklig ausgeführt und möglichst auf „Nullmaß“ eingepasst sind [19].

Die hier beschriebenen Anpassungen an Hydro-Umformwerkzeugen sind eine Auswahl der am häufigsten durchzuführenden Arbeiten. Im spe-ziellen Einzelfall muss jedoch noch eine Reihe bauteilspezifischer Arbei-ten durchgeführt werden.

5 Maschinen

Die Umsetzung des technologischen Prozesses Hydro-Umformung erfolgt auf für dieses Verfahren spezialisierten Umformmaschinen. Aufbau und Funktion derartiger Umformmaschinen sollen im Folgenden näher be-schrieben werden.

5.1 Einordnung in das Anlagenkonzept

Maschinen zur Hydro-Umformung können je nach ihrem Grad der Verket-tung als Einzelmaschinen oder als verkettete Maschinen ausgeführt sein.

Die Einzelmaschine ist nicht unmittelbar über Transportsysteme mit vor- oder nachgelagerten Fertigungseinheiten verbunden. Typisch für diese Konfiguration ist das manuelle Beschicken und Entnehmen des Werk-stücks.

Die verkettete Maschine ist in eine Anlage eingebettet. Über geeignete Transportsysteme erfolgt der automatische Werkstücktransport von vorge-lagerten sowie zu nachgelagerten Fertigungseinheiten. Typische vorgela-gerte Operationen sind:

− Ablängen− Vorformen (Biegen, Stauchen) − Reinigen des Rohteils − Aufbringen von Schmierstoff

Typische nachgelagerte Prozesse können sein:

− Beschneiden der Enden − Laserschneiden von Durchbrüchen − Fügeoperationen − Reinigen der Werkstücke

Die verkettete Maschine muss in ihrem Zyklus mit den anderen Ferti-gungseinheiten synchronisiert sein. Diese Synchronisation erfolgt über die Kommunikation zwischen Maschinensteuerung und der übergeordneten Anlagensteuerung. Hochgradig automatisiert verkettete Anlagen zur

204 5 Maschinen

Hydro-Umformung werden insbesondere in der Automobilproduktion ein-gesetzt.

Hydro-Umformanlagen als Einzelanlage oder Bestandteil eines Ferti-gungssystems werden in Kap. 6.2 (Planungsaspekt Hydroumform-Ferti-gungssystem) behandelt. Hier wird im Weiteren nur auf die eigentliche Maschine zur Hydro-Umformung eingegangen.

5.2 Übersicht

5.2.1 Funktionen

Ausgehend vom Charakter des jeweiligen, die Werkzeugkonstruktion be-stimmenden Hydro-Umformverfahrens müssen Maschinen für die Hydro-Umformung die für das Umformverfahren notwendigen Bewegungen und Prozessgrößen in ihrem zeitlichen Ablauf realisieren.

Ein typisches Ablaufdiagramm für die einzelnen Schritte innerhalb des Umformzyklus zeigt Abb. 5.1. Aus dem Ablaufdiagramm lassen sich in Anlehnung an [127] die Hauptfunktionen einer Maschine zur Hydro-Umformung ableiten:

− Einlegen Werkstück − Schließen Werkzeug − Vorformoperationen − Zuhalten Werkzeug − Befüllen Werkstück mit Wirkmedium − Dichten− Realisierung Innendruckverlauf − Realisierung Nachschieben − Zusatzoperationen (Lochen, Fügen, ...) − Öffnen Werkzeug − Entnahme Werkstück

Sowohl die genannten Hauptfunktionen als auch der Übergang zwischen ihnen können später in signifikante Teilfunktionen detailliert werden. Ne-ben dieser Hauptfunktionalität (Realisierung des technologischen Prozes-ses) sind vielfach zusätzlich Nebenfunktionen in Maschinen zur Hydro-Umformung implementiert, beispielsweise Werkzeug-Wechsel-Systeme.

5.2 Übersicht 205

Ausgangsstellung

EinlegenTeil

Werkzeug schließen

Vorformen

SchnellbefüllungWerkzeug

Niederdruckim Werkzeug

Fahren Profil Hochdruck

AufbauZuhaltekraft

Axialzylinderauf Füllposition

Axialzylinderauf Dichtposition

Nachschiebendurch

Axialzylinder

Neben-operationen

(Lochen usw.)

AnpassenZuhaltekraft

an Innendruck

DekompressionWerkzeug

DekompressionZuhaltung

RückzugAxialzylinder

Auswerfen Öffnen Werkzeug

EntnahmeTeil

Ausgangs-stellung

Abb. 5.1. Ablaufdiagramm einer Hydro-Umformmaschine

206 5 Maschinen

5.2.2 Prinzipieller Aufbau

Ausgehend von den Hauptfunktionen einer Hydro-Umformmaschine erge-ben sich die Hauptbewegungen, die diese Maschine ausführen muss. Im Einzelnen sind das:

1. Werkzeug schließen, zuhalten und öffnen Für diese Bewegungen ist die Zuhalteeinrichtung zuständig.

2. Vorformen des Werkstücks Dieser erste Schritt der Umformoperation kann ebenfalls durch die Zu-halteeinrichtung ausgeführt werden.

3. Werkstück/Werkzeug mit Druckmedium füllen Dieser Vorgang wird durch das Füllsystem als Bestandteil der Druck-achse übernommen.

4. Werkstück/Werkzeug Dichten Das Abdichten erfolgt durch individuell angepasste Dichtsysteme als Bestandteile der Axialachsen oder des Werkzeugs.

5. Innendruckverlauf realisieren Die Erzeugung des Innendrucks sowie dessen Steuerung wird durch die so genannte Druckachse realisiert, die aus Wasseraufbereitung, Füllsys-tem und Druckübersetzer besteht.

6. Formgebung Die Formgebung erfolgt beim Hydro-Umformen durch das Wirkmedi-um im Zusammenspiel mit der Werkzeuggravur und optional im Werk-zeug integrierten aktiven Formelementen.

7. Steuerung des Materialflusses Das Nachschieben des Materials erfolgt bei der Innenhochdruck-Umformung rohrförmiger Teile durch einen oder mehrere Axialzylinder am Werkzeug; beim Innenhochdruck-Blechumformen wird der Blech-einlauf durch das Wirkmedium, unterstützt durch spezifische Niederhal-ter, verwirklicht.

Der prinzipielle Aufbau einer Hydro-Umformmaschine wird in Abb. 5.2. veranschaulicht. Die einzelnen Baugruppen einer Hydro-Umform-maschine werden in den folgenden Abschnitten hinsichtlich Aufbau, Funk-tion und Auslegung näher erläutert.

5.2 Übersicht 207

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Hauptzylinder

Zuhalteeinrichtung

Axialzylinder

Oberwerkzeug

Unterwerkzeug

pi

Druckübersetzer

Aufbereitung

Umformmedium

Vorfü llsystem

Quick-Fill

Filterung

Kühlung

Überwachung

Abb. 5.2. Prinzipieller Aufbau einer Hydro-Umformmaschine

5.2.3 Parameter

Die Anforderungen an eine Hydro-Umformmaschine ergeben sich aus dem gewünschten technologischen Prozess. Sie werden vom Maschinenbetrei-ber in einem Lastenheft formuliert. Auf der Basis des Lastenheftes entwi-ckelt der Maschinenhersteller ein Pflichtenheft, das eine vertraglich bin-dende, detaillierte Beschreibung der Hydro-Umformmaschine umfasst. Es dient für den Maschinenhersteller als Grundlage der Projektierung, für den Maschinenbetreiber als Abnahmekriterium sowie Basis für die Fertigungs-organisation und -planung.

Es empfiehlt sich, eine möglichst präzise und umfassende Beschreibung einer Hydro-Umformmaschine zu erstellen. Sie sollte mindestens die in Tabelle 5.1. genannten Parameter enthalten.

208 5 Maschinen

Tabelle 5.1. Parameter

Bezeichnung Erläuterung 1. Werkzeugnahe Parameter Werkzeug-Innendruck Maximaler und minimaler Druck des Wirk-

mediums während des Umformprozesses Werkzeug-Füllvolumen Volumen des Wirkmediums im befüllten,

geschlossenen Werkzeug; zu beachten ist auch die Volumenänderung durch den Umformprozess

projizierte Fläche Wirksame Fläche in der Teilungsebene des Werkzeugs, auf die der Werkzeug-Innendruck wirkt

Werkzeug-Öffnungskraft Ergibt sich aus maximalem Werkzeug-Innendruck und projizierter Fläche; diese Kraft bestimmt die maximale Zuhaltekraft der Hydro-Umformmaschine sowie bei außermittiger Schwerpunktlage der Werk-stücke das aufzunehmende Kippmoment

Tischfläche Länge und Breite des Maschinentisches; be-stimmt die maximal möglichen Werkzeug-abmessungen für die Hydro-Umform-maschine

Werkzeug-Einbauhöhe Minimale und maximale Höhe des geschlos-senen Werkzeugs; bestimmt die Arbeits-position der Zuhalteeinrichtung

Zusatzfunktionen im Werkzeug Lochzylinder, Fügeeinrichtungen usw. Kraft Axialzylinder Minimale und maximale Kraft eines Axial-

zylinders Geschwindigkeit Axialzylinder Minimale und maximale Arbeits-

geschwindigkeit eines Axialzylinders Hub Axialzylinder Zustell- und Arbeitsweg eines Axial-

zylinders Anzahl Axial-/Radialzylinder Maximale Anzahl der Axial- bzw. Radial-

zylinder am Werkzeug

5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten) 209

Tabelle 5.1. (Fortsetzung)

2. Maschinennahe Parameter Zuhaltekraft Maximale Kraft zum Zuhalten des Werk-

zeugs; muss größer als die Werkzeug-Öffnungskraft sein, sinnvoll ist eine syn-chrone Steuerung der Zuhaltekraft mit dem Werkzeug-Innendruck

Vorformkraft Maximale Kraft für Vorformoperationen Schließgeschwindigkeit Maximale Geschwindigkeit für das

Schließen des Werkzeugs Rückzugsgeschwindigkeit Maximale Geschwindigkeit für das Öffnen

des Werkzeugs Schließhub Maximaler Hub zum Öffnen/Schließen des

Werkzeugs Tischdurchbiegung Maximal zulässiger Wert der Tischdurch-

biegung unter Wirkung der Zuhaltekraft und des Werkzeug-Innendrucks

3. Produktivitätsparameter Zykluszeit Zeit für einen kompletten Zyklus des

Umformvorganges Hubzahl Maximale Anzahl der Hübe pro Zeiteinheit

im Automatik-Betrieb

4. handlingbezogene Parameter Übergabehöhe Höhe zum Einlegen bzw. Entnehmen des

Werkstücks; wird wesentlich durch die Lage der Teilungsebene des Werkzeugs bestimmt

Zeitfenster Handling Zulässiger Bereich innerhalb der Zykluszeit für Handling-Operationen

Die Parameterliste kann im konkreten Fall um weitere Parameter er-gänzt werden. Erläuterungen zu den genannten Parametern enthalten die folgenden Abschnitte.

5.3 Zuhalteeinrichtungen (Schließeinheiten)

Im Gegensatz zum hydromechanischen Umformen (hydromechanisches Tiefziehen), bei dem der Mediendruck und das Verdrängungsvolumen zur Umformung der Werkstücke aus dem Arbeitsweg des Pressenstößels abge-leitet werden, ist die Druckerzeugung beim hydrostatischen Umformen in externe Funktionsbaugruppen verlagert worden, so dass nur noch eine de-

210 5 Maschinen

finierte Schließhaltung der Werkzeuge durch eine Zuhalteeinrichtung zu gewährleisten ist.

Diese Funktion wurde zunächst von kraftgebundenen Maschinen aus vorhandenen Beständen der konventionellen Blechumformung realisiert, da diese die Prozessanforderungen gut zu erfüllen schienen. Klassische kraftgebundene Pressen der Blechumformung sind jedoch auf die Um-formprozesse Tiefziehen und Schneiden ausgelegt und optimiert.

Die Prozessanforderungen der Hydro-Umformung verlangen aber von der Zuhalteeinrichtung verfahrensspezifische Eigenschaften, insbesondere kurze Nebenzeiten (Halbzeugzuführung, Teileentnahme) sowie eine ver-fahrensoptimierte Schließhaltung der Werkzeuge.

5.3.1 Funktionen

Die Anforderungen an eine Zuhalteeinrichtung für die Hydro-Umformung leiten sich aus den Prozessbedingungen und den dafür vorgesehenen Werkzeugkonzepten ab. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist die genaue Kenntnis der aus dem Umformprozess resultierenden Kräfte und deren Auswirkungen auf das IHU-Werkzeug sowie die Zuhalteeinrichtung. Ab-bildung 5.3. verdeutlicht in abstrahierter Form die Aktionskräfte aus den prozessinternen Drücken und daraus resultierenden Kraftwirkungen inner-halb des Werkzeugs.

pi

Fschließ

Föff

Stößel

Tisch

Abb. 5.3. Prozessbelastungen im Werkzeug in vertikaler Richtung

Der Werkzeug-Innendruck pi des Wirkmediums wirkt als Flächenlast auf die Wandungen des umzuformenden Werkstücks. Liegt das Werkstück an der Gravur an (insbesondere am Ende des Umformprozesses), so wird diese Flächenlast in die Gravur eingebracht und bewirkt dort zunächst


elastische Verformungen. Da das Werkzeug in der Teilungsebene geteilt ist, muss die Kraftwirkung auf die beiden Werkzeughälften separat be-trachtet werden. Die Gesamtheit der am Oberwerkzeug angreifenden Druckkräfte bewirkt als resultierende Kraft ein Öffnen des Werkzeugs in der Teilungsebene. Diese Kraft heißt Werkzeug-Öffnungskraft Föff und er-gibt sich aus dem Werkzeug-Innendruck und der projizierten Fläche:

projiöff ApF ⋅= (5.1)

Aproj Projizierte Fläche Föff Werkzeug-Öffnungskraft pi Werkzeug-Innendruck

Für komplexe 3D-Geometrien, bei denen auch die Teilungsebene räum-lich angeordnet ist, bewirkt der Werkzeug-Innendruck nicht nur die Werk-zeug-Öffnungskraft, es treten nun auch Querkraftkomponenten sowie Kippmomente in Folge asymmetrischer Gravur auf.

Um ein Öffnen des Werkzeugs während der Umformung zu verhindern, muss die Zuhalteeinrichtung eine entsprechende Schließkraft Fschließ auf-bringen. Die Schließkraft muss größer als die Werkzeug-Öffnungskraft sein. Dabei ist mit Hinweis auf Hauptabschn. 4.1.2 davon auszugehen, dass eine unangemessen hohe Schließkraft sowohl das Prozessergebnis als auch die Werkzeuglebensdauer negativ beeinflussen kann.

öffschließ FF ≥ (5.2)

Föff Werkzeug-Öffnungskraft Fschließ Schließkraft

Bedingt durch die Schließkraft bildet sich in der Teilungsebene der bei-den Werkzeughälften eine Flächenpressung aus. Unter der Wirkung des Werkzeug-Innendrucks verändert sich die Flächenpressung. Insbesondere bei stark asymmetrischer Bauteilgeometrie wird die Verteilung dieser Flä-chenpressung recht ungleichmäßig und kann teilweise den Wert Null errei-chen. In diesem Fall öffnet das Werkzeug partiell. Dieser Zustand muss durch eine geeignete Wahl der Schließkraft ausgeschlossen werden.

Bei der bisherigen Darstellung findet die zeitliche Variation des Kräfte-spiels im Prozessablauf keine hinreichende Berücksichtigung. Es ist viel-mehr davon auszugehen, dass die Zuhaltekraft in jeder Phase des Prozess-verlaufs den spezifischen Anforderungen genügen muss.

Ein in der Praxis oft genutzter Ansatz zur Steuerung der Schließkraft wird darin gesehen, diese proportional zum Werkzeug-Innendruck bzw. der Werkzeug-Öffnungskraft zu steuern. Dieses Anforderungsprofil soll durch die Darstellung in Abb. 5.4. verdeutlicht werden.

212 5 Maschinen

Schließkraft

Krä

fte

gesteuertes Zuhalten

Dekompression

ÖffnenSchließen und Vorformen

Umformen

Kalibrieren

Werkzeug-Öffnungskraft

(Werkzeug-Innendruck)

Zeit

Befüllen

Dekompression und Leeren

Abb. 5.4. Zeitlicher Verlauf Werkzeug-Öffnungskraft und Schließkraft

Die grundsätzlichen Funktionen einer Zuhalteeinrichtung für die Hydro-Umformung sind:

− schnelles Öffnen und Schließen des Werkzeugs zum Beschicken/ Entnehmen der Umformteile (Freigängigkeit für Handling)

− Durchführung evtl. erforderlicher Vorformoperationen während des Schließens des Werkzeugs

− Aufbringen und Steuern der Schließkraft (Zuhalten der Werkzeughälf-ten) gegen die Werkzeug-Öffnungskraft unter Beachtung der aus dem Prozess resultierenden Kraftkomponenten

Neben diesen Hauptfunktionen wird die Zuhalteeinrichtung oft auch als Träger weiterer Funktionen genutzt, beispielsweise:

− Steuern der Innendruckachse − Bereitstellung der Medien und Steuern der Axialzylinder − Realisieren einer Niederhalterfunktion − Bereitstellung und Steuern der Medien für werkzeugnahe Funktionen

(Lochen, Fügen)

Aus der Funktionalität der Zuhalteeinrichtung leiten sich spezifische Anforderungen an diese ab:


− hinreichende Dimensionierung der Werkzeugeinbauräume, insbesondere unter Beachtung erforderlicher Freiräume für die Integration von Axial-zylindern und weiterer Nebenantriebe

− Auslegung auf die erforderliche Schließkraft − Sicherung einer hohen Federsteife der im Kraftfluss liegenden Baugrup-

pen zur Minimierung der elastischen Auffederung und Verformungs-reaktionen von Stößel- und Tischplatte

− Kompensation der verbleibenden elastischen Auffederungen des Ge-samtsystems Werkzeug – Zuhalteeinrichtung

5.3.2 Aufbauprinzipien

Ausgehend von Anforderungsprofil und Funktionalität existieren verschie-dene Gestaltungsvarianten für Zuhalteeinrichtungen.

Diese Konzepte müssen – im Zusammenwirken mit der Werkzeugaus-legung – alle Grundanforderungen zur Erreichung der erforderlichen Teile-qualität sichern. Auf der anderen Seite sind die Stückkosten hydro-umgeformter Teile möglichst gering zu halten.

Daraus folgt, kostengünstige Maschinenkonzepte zu wählen, um das Anlageninvestment niedrig zu halten. In diesem Zusammenhang sind auch die projektierte Nutzungsdauer der Anlagen und Standmengenbetrachtun-gen bzgl. der Werkzeuge von Bedeutung. Der derzeit noch sehr zeitinten-sive Fertigungszyklus beinhaltet aus heutiger Sicht das wesentliche Poten-zial zur Senkung der Stückkosten. Der Schlüssel für die zeitliche Minimierung dieser Abläufe bei gleichzeitiger Sicherung erforderlicher Freiräume liegt in der Ausgestaltung der Zuhalteeinrichtung und wird durch deren Aufbauprinzip bestimmt.

Der derzeitige Stand der Technik kann in Anlehnung an [127] durch die in Abb. 5.5. dargestellten Aufbauprinzipien charakterisiert werden. Danach unterscheidet man zunächst nach der Art der Zuhaltung des Werkzeugs in

− kraftschlüssige Zuhaltung und − formschlüssige Zuhaltung mit Hilfe mechanischer Verriegelung.

214 5 Maschinen

Zuhalteeinrichtungen

kraftschlüssigohne Ausgleich

formschlüssig

(mechanische Verriegelung)

hydraulischer Ausgleich

von oben

hydraulischer Ausgleich

von unten

Stößel

Tisch

Abb. 5.5. Aufbauprinzipien von Zuhalteeinrichtungen

Bei formschlüssiger Zuhaltung bewirkt der Werkzeug-Innendruck eine elastische Auffederung der im Kraftfluss liegenden Baugruppen, die zu ei-nem Öffnen des Werkzeugs führen kann. Nach Art der Kompensation die-ser Auffederung unterscheidet man verriegelte Zuhalteeinrichtungen in solche

− ohne Kompensation, − mit hydraulischer Kompensation von oben wirkend und − mit hydraulischer Kompensation von unten wirkend.

Aus Sicht der Produktivität gibt es darüber hinaus Gestaltungsvarianten von Zuhalteeinrichtungen wie:

− Multiframe-Architektur − Doppelstößel

Unter Anwendung dieser Grundprinzipien sind zahlreiche Lösungskon-zepte bekannt, die in den nachfolgenden Ausführungen näher vorgestellt werden.

5.3.3 Kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Hydraulische Pressen

Die ursprüngliche Variante für Zuhalteeinrichtungen sind hydraulische Pressen. Sie erlauben sowohl schnelle Schließ- und Öffnungsbewegungen


des Werkzeugs als auch das Aufbringen der notwendigen Schließkräfte für den Umformprozess.

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Hauptzylinder

Werkzeug

pi

Abb. 5.6. Kraftfluss in einer hydraulischen Presse als Zuhalteeinrichtung

Die kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung (Abb. 5.6.) besteht aus den Bau-gruppen:

− Tisch – ausgelegt auf die Baugröße der einzusetzenden Werkzeuge wird der Tisch als Gussteil oder Schweißkonstruktion gestaltet. Dabei soll die Tischdurchbiegung unter Wirkung der Schließkraft übliche Werte für hydraulische Pressen nicht überschreiten (ca. 0,15 mm/m bei Nenn-presskraft), um Auswirkungen auf die Teilequalität in Grenzen zu hal-ten.

− Kopfstück – nimmt die Presskraft der Hauptzylinder der Zuhalteeinrich-tung auf. Auf dem Kopfstück ist in vielen Fällen das Hydraulikaggregat zur Versorgung der einzelnen Antriebe der Zuhalteeinrichtung angeord-net (Ölbehälter, Pumpen, Steuerblöcke usw.).

216 5 Maschinen

− Hauptzylinder – realisieren die Bewegung des Stößels zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs, bei Bedarf den Kraftaufbau für Vorform-prozesse. Sie bringen gesteuert die Schließkraft zum Zuhalten des Werkzeugs während des Hydro-Umformens auf.

− Seitenständer – es werden meist mit Zugankern vorgespannte Seiten-ständer vorgesehen. Die Dehnung der Seitenständer kann von den Zy-lindern des Hauptantriebs kompensiert werden.

− Stößel – ist oft nur als Schließplatte ausgeführt. Auf separate Stößelfüh-rungen wird oft verzichtet. Während der Schließbewegung wird der Stößel durch Führungsringe der Hauptzylinder geführt, im geschlosse-nen Zustand übernehmen die Werkzeugführungen diese Funktion. Die Durchbiegung des Stößels kann Auswirkungen auf die Teilequalität ha-ben und sollte bei der Dimensionierung des Stößels beachtet werden.

Der Kraftfluss sowohl während des Vorformprozesses als auch während der Hauptformgebung erfolgt über die Zylinder des Hauptantriebs. Ausle-gung und Gestaltung des Hauptantriebs müssen diesen Gegebenheiten Rechnung tragen.

Die hydraulische Steuerkette einer kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung ist im Vergleich mit konventionellen hydraulischen Pressen stark abgerüs-tet, da ein kleinerer Funktionsumfang zu realisieren ist. Abbildung 5.7. zeigt die Grundstruktur dieser hydraulischen Steuerkette.

Die einzelnen Funktionen der Zuhalteeinrichtung werden mit Hilfe fol-gender hydraulischer Komponenten realisiert:

Werkzeug schließen Das Schließen des Werkzeugs erfolgt durch das Eigengewicht des Stößels mit Oberwerkzeug. Die Füllventile sind geöffnet, auf die Kolben kann Öl aus den Hochbehältern nachgesaugt werden. Die Schließgeschwindigkeit wird mit dem Proportionalventil „Bremsen“ eingestellt, das den ringseitig gegen den Tank abfließenden Volumenstrom steuert. Dieses Ventil ermög-licht durch Schließen der Ventilsteuerkanten den gleitenden Übergang aus der relativ schnellen Senkbewegung in die Arbeitsbewegung des Stößels.

VorformprozessIst der Stößel auf die Arbeitsgeschwindigkeit abgebremst, werden die Füllventile geschlossen. Durch Ansteuern des Ventils „Kompression/De-kompression“ gelangt der Volumenstrom der Hauptpumpe auf die Kolben-seite der Hauptzylinder. Beim Aufsetzen auf das Werkstück baut sich eine Presskraft auf, die durch den Druckregler der Pumpe begrenzt werden kann.


Aufbau Schließkraft Ist das Werkzeug geschlossen, werden die Ringseiten der Hauptzylinder dekomprimiert. Der Druckregler der Hauptpumpe realisiert nun den ge-wünschten Schließkraftverlauf.

Dekompression Am Ende des Umformprozesses wird synchron mit dem Werkzeug-Innendruck die Einstellung des Druckreglers der Hauptpumpe reduziert und anschließend das Ventil „Kompression/Dekompression geschaltet. Dadurch baut sich der Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder bis zum drucklosen Zustand ab.

Werkzeug öffnen Durch Ansteuerung des ringseitigen Proportionalventils wird der Förder-strom der Hauptpumpe auf die Ringseite der Hauptzylinder gegeben. Der Stößel fährt nach oben und verdrängt das Öl aus der Kolbenseite über die geöffneten Füllventile in die Hochbehälter.

In der vereinfachten Steuerkette sind darüber hinaus Komponenten zur Absicherung gegen zu hohen Druck sowie die für Pressen gemäß Unfall-verhütungsvorschriften notwendigen, redundanten Sicherheitsschaltungen gegen ungewolltes Absinken des Stößels abgebildet.

Die Auslegung der hydraulischen Komponenten erfolgt auf der Basis der gewünschten Schließkraft der Zuhalteeinrichtung. Angebotene Grö-ßenordnungen der Schließkraft liegen im Bereich zwischen 4.000 kN und 100.000 kN, wobei die größeren Schließkräfte am Markt häufiger nachge-fragt werden.

Aus der gewünschten Schließkraft ergibt sich die notwendige Kolben-fläche der Hauptzylinder:

HZK

schließHZgesK p

FA

max_

max_ = (5.3)

AK ges_HZ Summarische Kolbenfläche der Hauptzylinder Fschließ max Maximale Schließkraft pK max_HZ Maximaler Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder

Typische Werte für den maximal zulässigen Druck auf der Kolbenseite der Hauptzylinder sind 250...300 bar. Für diesen Druck muss auch die Hauptpumpe ausgelegt sein.

Ausgehend von dieser Auslegung ergeben sich relativ großflächige Zy-linder, die einen erheblichen Volumenstrombedarf beim Schließen des Werkzeugs erfordern. Daraus erklärt sich die Schließbewegung über Füll-ventile.

218 5 Maschinen

Für die Auslegung der Ringseite des Hauptzylinders wird davon ausge-gangen, dass beim maximal zulässigen Druck auf der Ringfläche der Stö-ßel mit Werkzeug gehalten werden sowie zusätzlich eine ausreichende Kraft zum Lösen des Werkstücks beim Öffnen der Werkzeughälften vor-handen sein muss.

Die notwendige Größe der Hauptpumpe ergibt sich hauptsächlich aus dem ringseitigen Volumenstrombedarf für die gewünschte Geschwindig-keit zum Öffnen des Werkzeugs:

HZgesRöffnenHZgesR AvQ _max_ ⋅= (5.4)

AR ges_HZ Summarische Ringfläche der Hauptzylinder QR ges_HZ Summarischer ringseitiger Volumenstrom der Hauptzylin-

der beim Werkzeugöffnen vöffnen max Maximale Werkzeugöffnungsgeschwindigkeit

Typische Werte für die Geschwindigkeit zum Öffnen des Werkzeugs liegen bei 250...500 mm/s, ähnliche Werte gelten auch für das Schließen des Werkzeugs.

Da aufgrund der vergleichsweise großen Hauptzylinder für die Aufbrin-gung der Schließkraft kolbenseitig ein großes Ölvolumen komprimiert werden muss, ist zu prüfen, ob die Druckaufbauzeit – bedingt durch den pumpenseitig begrenzten Volumenstrom – für den gewünschten Prozess-verlauf ausreichend ist:

K

PK

VQ

dtdp

βmax= (5.5)

QP max Maximaler Volumenstrom der Hauptpumpe VK Kolbenseitiges Volumen des Hauptzylinders bei geschlos-

senem Werkzeug Kompressibilität des Hydrauliköls (HLP 46 ca. 10106 −⋅ 1/Pa)

dtdpK Druckaufbau-Gradient, kolbenseitig

Bei Bedarf muss die Pumpengröße ausgehend von dieser Rechnung an-gepasst werden.

Neben den spezialisierten hydraulischen Schließeinheiten können unter bestimmten Voraussetzungen auch konventionelle, möglicherweise bereits vorhandene hydraulische Pressen mit einem Nachrüstbausatz für den Ein-satz als Hydro-Umformmaschine genutzt werden. Das Nachrüsten bezieht


sich hauptsächlich auf die Beistellung des Wasserkreislaufs für die Innen-druckachse sowie die notwendigen Aggregate für die Axialzylinder.

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Hauptzylinder

Werkzeug

Steuerung

FüllventileFüllventile

Hochbehälter

A

P T

P

T

Absicherung

Maximaldruck

Kompression/

Dekompression

pi

Hauptpumpe

mit Druckregler

P

T

Pumpen-

absicherung

Pressen-

sicherheit

kolbenseitig

Pressen-

sicherheit

ringseitig

P

T

Absicherung

Maximaldruck

Bremsventil

A

P T

Us

Abb. 5.7. Vereinfachte Steuerkette einer kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung

5.3.4 Formschlüssige Zuhalteeinrichtungen: Verriegelter Stößel

Während die Dimensionierung kraftschlüssiger Zuhalteeinrichtungen am Schließkraftbedarf orientiert ist und somit zu vergleichsweise groß dimen-sionierten hydraulischen Antrieben führt, verfolgen die formschlüssigen Zuhalteeinrichtungen einen anderen Weg zur Realisierung der Zuhalte-funktion.

220 5 Maschinen

Wenn man nach Schließen des Werkzeugs und Abschluss eventueller Vorformoperationen die beiden Werkzeughälften auf geeignete Weise me-chanisch gegeneinander verriegelt, so wird der Kraftfluss während des Umformprozesses über die Verriegelung geschlossen (Abb. 5.8.).

Verriegelungsantrieb

Schließzylinder

Verriegelungs-

mechanismus

Druckkissen

pi

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Werkzeug

Abb. 5.8. Kraftfluss in einer verriegelten Zuhalteeinrichtung

Die formschlüssige Zuhalteeinrichtung basiert auf ähnlichen Baugrup-pen wie die kraftschlüssige, jedoch mit konstruktiven Besonderheiten:

− Tisch – ausgelegt auf die Baugröße der einzusetzenden Werkzeuge wird der Tisch als Gussteil oder Schweißkonstruktion gestaltet.

− Kopfstück – nimmt die Presskraft der Schließzylinder der Zuhalteein-richtung während des Vorformens sowie die Schließkraft während des Umformprozesses über den Verriegelungsmechanismus auf. Auf dem Kopfstück ist in vielen Fällen das Hydraulikaggregat zur Versorgung der einzelnen Antriebe der Zuhalteeinrichtung angeordnet (Ölbehälter, Pumpen, Steuerblöcke usw.).


− Schließzylinder – realisieren die Bewegung des Stößels zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs sowie bei Bedarf den Kraftaufbau für Vor-formprozesse. Der Schließzylinder ist während des Hydro-Umformens inaktiv.

− Seitenständer – es werden meist mit Zugankern vorgespannte Seiten-ständer vorgesehen. Die Dehnung der Seitenständer kann vom Druck-kissen kompensiert werden.

− Stößel – ist oft nur als Schließplatte ausgeführt. Auf separate Stößelfüh-rungen wird oft verzichtet. Während der Schließbewegung wird der Stößel durch Führungsringe der Hauptzylinder oder durch separate Säu-lenführungen geführt, im geschlossenen Zustand übernehmen die Werk-zeugführungen diese Funktion.

− Verriegelungsmechanismus – wird in der Schließposition des Werk-zeugs zwischen Stößel und Kopfstück gefahren und übernimmt den Kraftfluss während des Umformprozesses.

− Verriegelungsantrieb – steuert die Bewegung des Verriegelungsmecha-nismus (Verriegeln/Entriegeln). Dieser Antrieb wird wegen der notwen-digen Kräfte für den Verriegelungsprozess meist hydraulisch ausgeführt.

− Druckkissen – dient zum gesteuerten Aufbau der Schließkraft während des Umformprozesses sowie zum Ausgleich elastischer Verformungen der im Kraftfluss angeordneten Baugruppen.

Für die mechanische Verriegelung des Stößels sind verschiedene kon-struktive Prinzipien möglich und teilweise auch ausgeführt worden. Zwei wesentliche Prinzipien haben sich dabei in der Praxis als vorteilhaft erwie-sen:

− Blockverriegelung− Bajonettverriegelung

Im Fall der Blockverriegelung werden massive metallische Blöcke zwi-schen Stößel und Kopfstück geschoben oder geschwenkt, sobald der Stö-ßel seine Schließposition erreicht hat (Abb. 5.9.). Da die Abmessungen der Blöcke konstruktiv festgelegt sind, ist die Schließposition des Stößels und daraus folgend die Werkzeug-Einbauhöhe ein fester Parameter der Zuhal-teeinrichtung. Eine derartige definierte Schließposition ist typisch für formschlüssige Zuhalteeinrichtungen und sollte bereits bei der Werkzeug-entwicklung berücksichtigt werden.

Zuhalteeinrichtungen mit Blockverriegelung wurden für ein breites Spektrum an Zuhaltekräften bis zu 100.000 kN konzipiert [6, 7, 8, 21, 40, 45, 137, 164].

222 5 Maschinen

pi


Block

Druckkissen

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Werkzeug

Schließzylinder

Abb. 5.9. Blockverriegelung

Die Technik der Bajonettverriegelung, die in ähnlicher Form sehr oft in Kunststoff-Spritzgießmaschinen für verriegelte Werkzeuge eingesetzt wird, basiert auf Säulenführungen für den Stößel, in die geeignete Form-elemente ähnlich einer Verzahnung eingearbeitet sind (Abb. 5.10.). Befin-det sich der Stößel in seiner Schließposition, wird das Gegenstück am Stö-ßel durch Drehung oder translatorische Schließbewegung mit diesen Formelementen der Säulenführung in Eingriff gebracht. Der Kraftfluss wird nun im verriegelten Zustand über die Säulenführung geschlossen.

Zuhalteeinrichtungen mit Bajonettverriegelung wurden für Zuhaltekräf-te bis 50.000 kN realisiert [54, 71, 112].


Führungssäulen

Tisch

Kopfstück

Schließzylinder

Werkzeug

Bajonettverriegelung

Stößel

A A

offen

verriegelt

Verriegeln durch Drehung

offen

verriegelt

Verriegeln durch Translation

Schnitt A-A

pi

Abb. 5.10. Bajonettverriegelung

Eine abgewandelte Form der Bajonettverriegelung zeigt Abb. 5.11. Nach Erreichen der Schließposition des Bajonettkörpers (Stößels) wird der Bajonettring um 10° gedreht, so dass nun der Kraftfluss in das Kopfstück über die Zähne des Bajonettringes geschlossen wird. Diese Ausführung der Verriegelung ist für Schließkräfte bis 60.000 kN realisiert worden [5].

224 5 Maschinen

Seitenständer

Bajonettring

Kopfstück

A A

pi

verriegelte Stellung gezeichnet

Verriegeln durch 10°-Drehung

des BajonettringesSchnitt A-A

Bajonettkörper

Druckkissen

pi

Tisch

Querhaupt

Schließzylinder

Werkzeug

Abb. 5.11. Abgewandelte Form der Bajonettverriegelung


Der Vorgang der Verriegelung erfolgt in allen beschriebenen Varianten in einem lastfreien Zustand. Es ist nicht üblich, mit dem Verriegelungsme-chanismus gleichzeitig eine Vorspannung der Werkzeughälften zu erzeugen.

Die Schließkraft muss deshalb mit einem weiteren Antrieb aufgebracht werden, der gleichzeitig die elastischen Verformungen der im Kraftfluss liegenden Bauteile teilweise kompensiert.

In Abb. 5.9. wird diese Funktion als eine der Möglichkeiten durch flä-chig angeordnete Schließzylinder, die von unten zwischen Tisch und Un-terwerkzeug wirken, realisiert. Diese Schließzylinder werden summarisch auf die Größe der maximalen Schließkraft ausgelegt, wobei sie jedoch nur kleine Hübe im Bereich der elastischen Verformung der im Kraftfluss lie-genden Komponenten ausführen. Diese resultierende Verformung liegt je nach Baugröße und Ausführung der Zuhalteeinrichtung in einer Größen-ordnung bis ca. 5 mm. Die flächige Anordnung der Schließzylinder kann bei geeigneter Ansteuerung auch eine asymmetrische Schließkraftvertei-lung bewirken.

Eine weitere Ausführungsform des Antriebs zur Erzeugung der Schließ-kraft ist ein im Stößel angeordnetes Druckkissen (Abb. 5.11.). Es wirkt zwischen Verriegelung/Stößel und Oberwerkzeug. Da das Druckkissen nur eine einzige, jedoch relativ große wirksame Fläche besitzt, können asym-metrische Werkzeug-Öffnungskräfte nicht kompensiert werden. Die auf solchen Maschinen eingesetzten Werkzeuge sollten einen mittigen Kraft-schwerpunkt besitzen.

Die hydraulische Steuerkette einer formschlüssigen Zuhalteeinrichtung ist in ihrem Grundaufbau in Abb. 5.12. dargestellt. Die einzelnen Funktio-nen der Zuhalteeinrichtung werden mit folgenden hydraulischen Kompo-nenten realisiert:

Werkzeug schließen Das Schließen des Werkzeugs erfolgt durch das Eigengewicht des Stößels mit Oberwerkzeug. Die Füllventile sind geöffnet, auf die Kolbenseite der Schließzylinder kann Öl aus den Hochbehältern nachgesaugt werden. Die Schließgeschwindigkeit wird mit dem Proportionalventil „Bremsen“ ein-gestellt, das den ringseitig in den Tank abfließenden Volumenstrom steu-ert. Dieses Ventil ermöglicht durch Schließen der Ventilsteuerkanten den gleitenden Übergang aus der relativ schnellen Senkbewegung in die Ar-beitsbewegung des Stößels.

VorformprozessIst der Stößel auf die Arbeitsgeschwindigkeit abgebremst, werden die Füll-ventile geschlossen. Durch Ansteuern des Ventils „Kompression/Dekom-pression“ gelangt der Volumenstrom der Hauptpumpe auf die Kolbenseite

226 5 Maschinen

der Schließzylinder. Beim Aufsetzen auf das Werkstück baut sich eine Presskraft auf, die durch den Druckregler der Pumpe begrenzt werden kann.

Werkzeug verriegeln Hat der Stößel die festgelegte Schließposition erreicht (Werkzeug ge-schlossen), werden der Verriegelungsantrieb betätigt und die Verriege-lungselemente (Blöcke, Bajonettverschlüsse) in die verriegelte Position bewegt. Nach Abschluß der Verriegelungsbewegung werden die Ring- und Kolbenseiten der Schließzylinder dekomprimiert.

Aufbau SchließkraftSind das Werkzeug verriegelt und die Schließzylinder dekomprimiert, wird das Druckkissen aktiviert. Der Druckregler der Druckkissen-Pumpe reali-siert nun den gewünschten Schließkraftverlauf.

Dekompression Am Ende des Umformprozesses werden synchron mit dem Werkzeug-Innendruck die Einstellung des Druckreglers der Druckkissen-Pumpe re-duziert und anschließend das Ventil „Kompression/Dekompression Druckkissen“ geschaltet. Dadurch baut sich der Druck im Druckkissen bis zum drucklosen Zustand ab.

Werkzeug entriegeln Ist das Druckkissen dekomprimiert, werden der Verriegelungsantrieb er-neut betätigt und die Verriegelungselemente (Blöcke, Bajonettverschlüsse) in die entriegelte Position bewegt.

Werkzeug öffnen Nach Entriegelung des Werkzeugs wird durch Ansteuerung des ringseiti-gen Proportionalventils der Förderstrom der Hauptpumpe auf die Ringseite der Schließzylinder gegeben. Der Stößel fährt nach oben und verdrängt das Öl aus der Kolbenseite über die geöffneten Füllventile in den Hochbehälter.

In der vereinfachten Steuerkette sind darüber hinaus Komponenten zur Absicherung gegen zu hohen Druck sowie die für Pressen gemäß Unfall-verhütungsvorschriften notwendigen, redundanten Sicherheitsschaltungen gegen ungewolltes Absinken des Stößels angegeben.


Steuerung

FüllventileFüllventile

Hochbehälter

A

P T

P

T

Absicherung

Maximaldruck

P

TAbsicherung

Maximaldruck

A

P T

Hauptpumpe

mit Druckregler

P

T

Pumpen-

absicherung

Bremsventil

Kompression/

Dekompression

Pressen-

sicherheit

kolbenseitig

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Stößel

Schließzylinder

Werkzeug

Verriegelungs-

antrieb

Block

Druckkissen

A

P T

Pumpe Druckkissen

mit Druckregler

P

T

Pumpen-

absicherung

Kompression/

Dekompression

Druckkissen

A

P T

Us

B

pi

Pressen-

sicherheit

ringseitig

Us

Us

Abb. 5.12. Vereinfachte Steuerkette einer formschlüssigen Zuhalteeinrichtung

228 5 Maschinen

Der Hauptantrieb der Zuhalteeinrichtung (Schließzylinder) wird wäh-rend des Umformprozesses nicht belastet, er dient nur zum Schlie-ßen/Öffnen des Werkzeugs bzw. für Vorformoperationen. Die Dimensio-nierung der Schließzylinder richtet sich nun nach dem Kraftbedarf dieser Vorformoperationen.

SZK

vorformSZgesK p

FA

max_

max_ = (5.6)

AK ges_SZ Summarische Kolbenfläche der Schließzylinder Fvorform max Maximale Vorformkraft pK max_SZ Maximaler Druck auf der Kolbenseite der Schließzylinder

Typische Werte für den maximal zulässigen Druck auf der Kolbenseite der Schließzylinder sind 250...300 bar. Auf diesen Druck muss auch die zugehörige Hauptpumpe ausgelegt sein.

Gegenüber Gl. (5.3) ergibt sich hier wegen der Auslegung auf die Vor-formkraft eine kleinere Kolbenfläche der Schließzylinder im Vergleich zu kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtungen. Dadurch reduziert sich bei gleichen Anforderungen an die Schließgeschwindigkeit der Volumenstrombedarf. Das hat kleinere Nenngrößen der Ventile, Steuerblöcke sowie Rohrleitun-gen zur Folge und erfordert kleinere Baugrößen der Pumpe.

Für die Dimensionierung des Druckkissens gilt:

DKK

schließDKgesK p

FA

max_

max_ = (5.7)

AK ges_DK Summarische Kolbenfläche des Druckkissens Fschließ max Maximale Schließkraft pK max_DK Maximaler Druck auf der Kolbenseite des Druckkissens

Zur Festlegung des maximal zulässigen Drucks auf der Kolbenseite des Druckkissens kann man 250...300 bar wählen (konventionelle Industrie-hydraulik), in einigen Fällen werden auch höhere Drücke bis 800 bar ange-setzt (Notwendigkeit von Komponenten der Hochdruckhydraulik).

Da das Druckkissen nur einen Hub in der Größenordnung der Elastizitä-ten der Maschine realisieren muss, ist das im Druckkissen eingeschlossene Ölvolumen relativ klein. Im Vergleich zu kraftschlüssigen Zuhalteeinrich-tungen kann der Schließkraftaufbau nach Gl. (5.5) hier zeitlich schneller erfolgen.


5.3.5 Mehrfach-Anordnungen

Neben den Anforderungen an Zuhalteeinrichtungen, die direkt aus dem technologischen Prozess hervorgehen und die damit wesentliche Parameter der Umformmaschine definieren, legen die Betreiber zunehmendes Ge-wicht auf hohe Produktivität, große Flexibilität hinsichtlich des Teilespek-trums sowie geringe Investitionsvolumina.

Der Funktionsablauf von Maschinen der Hydro-Umformung setzt der Senkung der Zykluszeit deutliche Grenzen. So lassen sich die Nebenzeiten zum Schließen und Öffnen sowie Befüllen des Werkzeugs als auch die Zeit für den Hydro-Umformprozess mit Sicht auf die erforderlichen Kos-ten nicht beliebig senken. Typische Zykluszeiten von 30 Sekunden stehen so im Widerspruch zum gewünschten Teileausstoß je Zeiteinheit.

Aus diesem Grund werden häufig mehrere Maschinen parallel betrie-ben, um auf diese extensive Weise die Produktionskennziffern zu erfüllen.

Die Hersteller von Hydro-Umformmaschinen bieten zunehmend Kon-zepte an, die diese extensive Erweiterung bei Senkung der Anlagekosten ermöglichen.

In Abb. 5.13. wird eine so genannte Double-Ram-Press dargestellt. Die-se Zuhalteeinrichtung verfügt über zwei separate Stößel, jedoch jeweils nur eine Baugruppe zur Druckölversorgung der hydraulischen Antriebe sowie zur Erzeugung des Werkzeug-Innendrucks. Im Betrieb erfolgen das Öffnen und Schließen des Werkzeugs sowie der Prozess der Hauptformge-bung im Wechsel zwischen den beiden Stößeln. Die Produktivität kann gegenüber einer einfachen Struktur um ca. 50% gesteigert werden, dabei steigen die Investitionskosten nur um ca. 20% an. Alternativ kann man die beiden Stößel koppeln, um so bei reduzierter Produktivität großformatige Werkzeuge einzusetzen [21].

Eine Weiterentwicklung dieses Konzepts führt zu so genannten Multi-Frame-Architekturen (Abb. 5.14.). Durch eine klare Modularisierung der Umformmaschinen kann man seine konkrete Maschine durch Zusammen-stellung so genannter Frames realisieren, die mit einer entsprechenden Konfiguration von Antriebs- und Innendruck-Modulen ausgerüstet sind. Eine solche Maschine kann sowohl durch separate Nutzung der einzelnen Frames für kleine Werkzeuge als auch im Verbund der Frames für groß-formatige Werkzeuge eingesetzt werden. Die Modularisierung führt wegen der Beschränkung auf wenige Standardbaugruppen zu einer Senkung der Investitionskosten für die einzelnen Frames, wobei gleichzeitig Flexibilität bzw. Produktivität der Anlage erhöht werden [7, 21].

230 5 Maschinen

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Hauptzylinder 1

Werkzeug 1

Stößel 1

Stößel 2

Werkzeug 2

Hauptzylinder 2

Öffnen

Schließen

Vorformen

FüllenHydro-Umformung

Abb. 5.13. Double-Ram-Press

pi

Stößel

Hauptzylinder

Werkzeug

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Abb. 5.14. Multi-Frame-Architektur (Betrieb im Verbund für großformatiges Werkzeug

5.4 Innendruckachse

5.4.1 Aufbau und Funktionen

Das Umformen des im geschlossenen Werkzeug befindlichen Werkstücks wird durch die Innendruckachse realisiert. Für den Umformprozess wird

5.4 Innendruckachse 231

druckabhängig ein definiertes prozessgesteuertes Volumen des Wirkmedi-ums in das Werkzeug eingebracht. Hierzu dient ein separater Hydraulik-kreislauf, der aufgrund der speziellen Anforderungen vorzugsweise mit dem Betriebsmedium Wasser mit Zusätzen (HFA-Flüssigkeit [104]) arbei-tet.

Der Wasserkreislauf (s. Abb. 5.15.), besteht aus einer Anlage zur Auf-bereitung des Wirkmediums, einem Vorfüllsystem sowie dem für die tech-nologische Operation erforderlichen Druckstromerzeuger [181].

pU

Werkzeug

Axialzylinder

Druckübersetzer

Aufbereitung

IHU Flüssigkeit

Vorfü llsystem

pi

M

M

Abb. 5.15. Vereinfachter Kreislauf zur Bereitstellung des Wirkmediums

Als Druckstromerzeuger werden, bedingt durch die hohen geforderten Drücke, meist Druckübersetzer eingesetzt.

Mit dem Hydraulikkreislauf des Wirkmediums (Wasserkreislauf) wer-den nachfolgende Funktionen realisiert:

− Befüllen des Werkzeugs bzw. des Druckübersetzers mit der erforderli-chen Flüssigkeitsmenge

− Ausführung der technologischen Operation des Innenhochdruck-Umfor-mens (Formgebung und Kalibrieren)

232 5 Maschinen

− Dekomprimieren des unter hohem Druck eingespannten Flüssigkeitsvo-lumens nach dem technologischen Umformprozess

− Rückförderung der Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in die Aufberei-tungsstation der Flüssigkeit

− Aufbereitung der Flüssigkeit (Filtration, Kühlung, Ölabscheidung)

BefüllenDie Vorfüllpumpe speist über einen Druckfilter mit einer Filterfeinheit < 5 µm und ein Rückschlagventil direkt den Druckübersetzer sowie über das Andocksystem das Werkzeug. Durch die Steuerung des Drucküberset-zers (Positionsregelung bzw. einfache Wegsteuerung) wird die Kammer auf der Sekundärseite mit Druckflüssigkeit gefüllt.

Formgebung Nach dem Abdichten des Werkstücks durch die Axialzylinder wird der Druckübersetzer in Druckregelung betrieben. Dabei wird der Sollwert des Werkzeug-Innendrucks in Abhängigkeit unterschiedlicher Prozessparame-ter variiert. Innendruck, Nachschiebeweg bzw. Kraft der Axialzylinder werden in Abhängigkeit zueinander gesteuert.

Das erforderliche Volumen zum Ausformen des Werkstücks muss kon-tinuierlich bereitgestellt werden. Da die maximale Füllmenge des Druck-übersetzers begrenzt ist, werden häufig zwei parallel geschaltete Druck-übersetzer eingesetzt (s. Abb. 5.16.).

Dekompression Nach dem Ausformen des Werkstücks mit dem Kalibrierdruck muss das im Werkstück und im Druckübersetzer eingespannte Flüssigkeitsvolumen dekomprimiert werden. Dies könnte über eine schaltbare Drossel direkt auf der Hochdruckseite realisiert werden, wobei das eingespannte Volumen di-rekt über die Drossel zum Tank fließen würde. Wegen der hohen Drücke und der Eigenschaften (geringe Viskosität) der Flüssigkeit kann kein kon-ventionelles Proportionalventil für die Dekompressionsfunktion genutzt werden. Eingesetzt werden kann ein Sitzventil mit integrierter oder exter-ner Drossel. Durch das hohe Druckgefälle und die dadurch verursachten sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten würde die Drossel sehr schnell verschleißen.

Deshalb wird das Dekomprimieren durch den Druckübersetzer realisiert. Der Druck im Druckübersetzer wird über eine Sollwertkurve geregelt heruntergefahren. Dabei vergrößert der Druckübersetzer durch Zurückfah-ren das Volumen auf der Sekundärseite (s. Abb. 5.17.).


Füllsystem

Primä rseite

sU

Regler

Sekundä rseite

Hochdruck

pU

sU

Abb. 5.16. Einsatz von zwei parallel geschalteten Druckübersetzern

Werkzeug

Druckübersetzer

Ventil

Dekompression

Arbeitshub

Dekompression

pi

pU

Abb. 5.17. Dekompression des Werkzeugs

234 5 Maschinen

Rückförderung und Medienaufbereitung Nach dem Öffnen des Werkzeugs fließt das Druckmedium über eine Auf-fangvorrichtung zurück zum Behälter. Das Druckmedium ist infolge des offenen Kreislaufs (Werkzeug, Maschinentisch) stark verunreinigt und muss in der Aufbereitungsanlage von den Fremdstoffen gereinigt werden.

5.4.2 Druckerzeuger

Als Druckerzeuger können je nach Anwendungsfall unterschiedliche Sys-teme eingesetzt werden. Eine besondere Anforderung resultiert aus dem Betrieb der Druckerzeuger mit Wasseremulsionen.

Der Einsatz von Wasseremulsionen erfordert wegen der geringeren Vis-kosität gegenüber Mineralölen geringere Spaltmaße an sich bewegenden Teilen, was geringere Toleranzen und damit eine höhere Präzision bei der Fertigung voraussetzt. Zusätzlich bewirkt der Einsatz von Wasseremulsio-nen ein schlechteres Schmierverhalten als bei Nutzung von Mineralöl. Die Emulsionen und deren Additive erfordern häufig den Einsatz resistenter Werkstoffe für die Bauteile, insbesondere für die Dichtungen.

Eingesetzt werden alle gängigen Funktionsprinzipien der Hydropumpen, die für den Einsatz von Wasseremulsionen modifiziert werden und dem-entsprechend veränderte Leistungsparameter aufweisen (Tabelle 5.2.).

Tabelle 5.2. Druckbereiche unterschiedlicher Druckstromerzeuger

Druckstromerzeuger Maximaler Druck Schraubenspindelpumpe 100 bar Zahnradpumpe 210 bar Radialkolbenpumpe 630 bar Reihenkolbenpumpe 800 bar Druckübersetzer > 6.000 bar

Die meisten Anwendungen der Hydro-Umformung erfordern Arbeits-drücke über 1.000 bar. Aus diesem Grund werden in der Praxis heute meist Druckübersetzer als Druckstromerzeuger eingesetzt.

Dabei wird das aus dem Gesetz von Pascal (Blaise Pascal, 1623-1662) abgeleitete Prinzip der Druckübersetzung angewendet (Abb. 5.18., [69]).

A1

p1 p2

A2F1=F2

Primärseite Sekundärseite

Abb. 5.18. Prinzip der Druckübersetzung


Existieren zwei getrennte Druckgefäße, die mit einem Kolben mit unter-schiedlicher Kolbenfläche verbunden sind, so gilt für ein statisches Gleichgewicht der Kräfte am Kolben, dass sich die Kolbenflächen umge-kehrt proportional zu den in den Gefäßen herrschenden Drücken verhalten.

21

222

111

FFApFApF

=⋅=⋅=

(5.8)

2

1

1

2

AA

pp = (5.9)

A1 Primärfläche A2 Sekundärfläche p1 Primärdruck p2 Sekundärdruck

Durch sehr große Flächenverhältnisse lassen sich damit hohe Sekundär-drücke erzeugen.

Das Prinzip der Druckübersetzung ist im Druckübersetzer umgesetzt (s. Abb. 5.19.). Der Druckübersetzer hat im Wesentlichen zwei Aufgaben zu erfüllen. Dies ist zum einen die Umsetzung der Medientrennung (resul-tiert aus der Funktionsweise des Druckübersetzers) und zum anderen die Bereitstellung eines Druckstroms. Auf der Primärseite des Drucküberset-zers wird mit Mineralöl und entsprechenden Komponenten der Standard-hydraulik bis zu einem Druck von 315 bar gearbeitet. Die Sekundärseite ist im Wasserkreislauf eingebunden. Die Medientrennung erfolgt durch her-stellerspezifische Dichtsysteme sowohl auf der Hochdruck- als auch auf der Niederdruckseite. Separate Leckleitungen führen anfallendes Lecköl nach außen.

Die Steuerung des Druckübersetzers wird auf der Primärseite durch ein angebautes Regelventil realisiert, das als Stellelement in einem entspre-chenden Regelkreis eingebunden ist. Die Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der einer hydraulischen Linearachse.

Die Füllmenge des Druckübersetzers kann durch das integrierte Weg-messsystem erfasst werden.

Druckübersetzer werden von unterschiedlichen Herstellern in verschie-denen Baugrößen und für verschiedene Druckstufen angeboten. Für die Dimensionierung des Druckübersetzers sind das Füllvolumen (Plunger-durchmesser auf der Sekundärseite und Hub) sowie der maximale Arbeits-druck wesentlich.

236 5 Maschinen

Die konstruktive Ausführung des Hochdruckgefäßes ist von den maxi-malen Drücken abhängig. Bis ca. 2.000 bar wird mit einem einlagigen Druckgefäß gearbeitet. Ab 2.000 bar werden zweilagige Druckgefäße ein-gesetzt (Abb. 5.20.).

Hochdruckraum

Hochdruckfüllventil

Hochdruckverteiler

Niederdruckkolben-

bzw. Ringraum

Hochdruck- bzw.

Niederdruckdichtung

Wegmesssystem

Ventilblock

Leckleitung

Primä rseiteSekundä rseite

Abb. 5.19. Schematische Darstellung eines Druckübersetzers

Hochdruck-

raum

Niederdruckkolben-

bzw. Ringraum

Wegmesssystem

Ventilblock

Einlagiges

Druckgefäß

Zweilagiges

Druckgefäß

Hochdruck-

raum

Niederdruckkolben-

bzw. Ringraum

Wegmesssystem

Ventilblock

Abb. 5.20. Unterschiedliche Ausführungsvarianten von Druckübersetzern

Die Anordnung der Druckübersetzer im System ist unterschiedlich. Druckübersetzer können direkt in die Achse eines Axialzylinders integriert (geringe Flexibilität) oder als eigenständige Baugruppe am Maschinenge-stell oder neben der Maschine aufgestellt werden. Die günstigste Anord-nung des Druckübersetzers ist vertikal mit der Sekundärseite nach unten. Dies führt zu geringerem Verschleiß der Hochdruckdichtung, da sich bei Anlagenstillstand die Schmutzpartikel nicht auf der Hochdruckdichtung ablagern.


5.4.3 Füllsysteme

Die Füllsysteme haben im Wesentlichen folgende Aufgaben:

− Befüllen des in das Werkzeug eingelegten Werkstücks mit Wirkmedium − Befüllen des Druckübersetzers mit Wirkmedium − Aufweiten bzw. Umformen des Werkstücks mit dem Pumpendruck

Je nach Anwendungsfall und Komplexität der Hydro-Umformmaschine werden unterschiedliche Kreisläufe bzw. Systeme eingesetzt. Man unter-scheidet zwischen Vorfüllpumpenkreislauf (quick fill) und Füllpumpen-kreislauf.

Vorfüllsystem Ein separater Vorfüllpumpenkreislauf (Abb. 5.21.) wird dann eingesetzt, wenn die Zykluszeit maßgeblich durch das Befüllen des Werkstücks beein-flusst wird.

Der Vorfüllpumpenkreislauf füllt direkt das in das Werkzeug eingelegte Werkstück. Das Füllen geschieht bereits während des Schließens des Werkzeugs sowie während des Andockens der Axialzylinder. Dadurch kann das Werkstück zu einem hohen Prozentsatz vorgefüllt werden. Die Vorfüllpumpe saugt die Flüssigkeit aus dem Tank an und fördert sie direkt in das Werkzeug. Eingesetzt werden hierfür Pumpen mit hohen Volumen-strömen bei geringem Druck (z.B. Kreiselpumpen). Abgesichert wird das System mit einem Druckventil bis ca. 8 bar.

Werkzeug

Axialzylinder

Vorfü llsystem

M

Abb. 5.21. Vorfüllkreislauf

238 5 Maschinen

FüllsystemDas Befüllen des Druckübersetzers geschieht durch die Füllpumpe. Nach dem Anfahren der Axialzylinder auf die Füllposition fördert die Füllpumpe die Flüssigkeit über einen Feinstfilter und ein Rückschlagventil (Füllven-til) in den Druckübersetzer und über den Druckverteiler durch das An-docksystem in das Werkzeug. Wird kein separates Vorfüllsystem einge-setzt, erfolgt das Befüllen des Werkstücks nur durch die Füllpumpe, was eine längere Zykluszeit nach sich zieht.

Als Füllpumpen werden Pumpen mit hohen Volumenströmen einge-setzt. In Abb. 5.22. ist ein Füllsystem dargestellt, das neben der Aufgabe des Befüllens der Anlage zusätzlich Umformoperationen ausführen kann. Voraussetzung ist der Einsatz einer Pumpe, die in einem höheren Druckbe-reich arbeitet. Eingesetzt werden könnte z.B. eine Radialkolbenpumpe. Mit einer in die Schaltung integrierten elektrischen Druckregelung (Einstellung Fülldruck) kann ein Druckprofil steuerungsseitig vorgegeben werden. Der Druckübersetzer dient damit hauptsächlich zum Kalibrieren des Werk-stücks.

Druckübersetzer

Fü llpumpe

pI

sU

Einstellung

Fülldruck

Feinfilter

pi

M

Werkzeug

Axialzylinder

Abb. 5.22. Füllsystem zum Befüllen und Umformen des Werkstücks


Der Feinfilter ist infolge der kleinen Spaltmaße im Druckübersetzer er-forderlich. Er schützt den Druckübersetzer vor starkem Verschleiß. Bei Einsatz einer Kolbenpumpe empfiehlt sich aus dem gleichen Grund der Einsatz eines Saugfilters im Sauganschluss der Pumpe. Ein Saugfilter ist aber durch die Gefahr von Kavitation besonders bei Einsatz einer HFA-Flüssigkeit problematisch. Deshalb setzt man häufig eine separate Einspei-sepumpe in den Sauganschluss der Füllpumpe (Abb. 5.23.).

M

MFüllpumpe

Einspeisepumpe

2 bar

Abb. 5.23. Füllkreislauf mit Einspeisepumpe

Als Einspeisepumpen werden Niederdruckpumpen mit hohen Förder-mengen benötigt. Besonders geeignet sind hierfür Kreisel- bzw. Schrau-benspindelpumpen, die deutlich geringer schmutzempfindlich sind als z.B. Kolbenpumpen.

5.4.4 Fluidaufbereitung

Aufgrund der starken Belastung der Flüssigkeit (Druck, Verunreinigung usw.) sowie der hohen Anforderungen an deren Reinheit, bedingt durch die Komponenten in der Anlage, kommt der Fluidaufbereitung bzw. -pfle-ge eine entscheidende Bedeutung zu. Folgende Aufgaben werden durch die Fluidaufbereitungsanlage (Abb. 5.24.) realisiert:

− Bereitstellung der entsprechenden Flüssigkeitsmenge für den Prozess − Gewährleistung der erforderlichen Fluidreinheit durch Filtration der

Feststoffpartikel − Abscheidung von Öl bzw. anderen Schmierstoffen − Gewährleistung des Temperaturarbeitsfensters der Flüssigkeit

Die Flüssigkeit befindet sich in einem korossionsbeständigen Behälter, der i.d.R. über zwei separate Kammern verfügt. Der Behälter ist in einen Rein- und einen Schmutztank unterteilt. Seine Größe richtet sich nach den allgemeinen Ausführungsrichtlinien von Behältern, sie sollte das 5- bis 8fache des Volumenstroms der aus dem Behälter saugenden Pumpen

240 5 Maschinen

betragen. Dadurch wird eine entsprechend große Verweilzeit der Flüssig-keit im Behälter realisiert, die Luft- und Schmutzabscheidung begünstigt. Behältertypische Überwachungseinrichtungen wie Füllstandskontrolle bei-der Behältertanks sowie Temperaturüberwachung sind erforderlich.

Das Temperaturfenster für die Flüssigkeit ist infolge der Spezifik von Wasseremulsionen stark eingeschränkt. Die Temperatur sollte 25 °C nicht überschreiten, da bei höheren Temperaturen mit starkem Mikrobenbefall zu rechnen ist.

Reintank Schmutztank

Füllstandskontrolle

Füllpumpen

Ölabscheider Temperaturkontrolle

Kühler

Filter

Bandfilter

Rücklauf

M

M

Abb. 5.24. Schematische Darstellung der Fluidaufbereitungsanlage

Der Kühler kann direkt im Nebenstrom-Kühler-Filterkreislauf oder in einem separaten Kühlerkreislauf (Kältemaschine) eingebunden sein. Bei kalten Umgebungstemperaturen muss die Flüssigkeit über eine geeignete Heizung vorgewärmt werden.

Die wichtigste Aufgabe der Fluidaufbereitungsanlage besteht in der Fil-tration von Feststoffen und im Abscheiden flüssiger Verunreinigungen aus dem Prozess. Die Filtration ist ein mehrstufiger Prozess. Nach dem Öffnen des Werkzeugs und der Entnahme des fertigen Werkstücks fließt die Flüs-sigkeit aus dem Werkzeug z.T. über den Tisch in Rückführungskanäle und wird zentral über einen im Rücklauf angeordneten Filter in den Schmutz-tank geleitet. Durch die hohe Verunreinigung ist ein Filter mit einer hohen Schmutzaufnahmekapazität erforderlich. Zielstellung ist, so viel wie mög-lich grobe Verunreinigungen vor dem Eintritt in den Behälter herauszufil-tern. Durchgesetzt haben sich für diese Aufgabe Bandfilter.

Zusätzlich wird der Behälter im Nebenstrom kontinuierlich über einen Druckfilter gereinigt. Dabei wird die Flüssigkeit aus dem Schmutztank an-gesaugt und über den Filter in den Reintank befördert. Der Flüssigkeits-


überschuss fließt über den Überlauf zurück in den Schmutztank. Der ge-samte Tankinhalt der Flüssigkeit sollte fünf- bis sechsmal in der Stunde umgewälzt werden, wodurch ein entsprechendes Gleichgewicht hinsicht-lich des Reinheitsgrades der Flüssigkeit erreicht werden kann.

Der Schutz der Bauelemente (Druckübersetzer, Kolbenpumpen) erfolgt durch in der Druckleitung angeordnete Druckfilter.

Verfahrensbedingt (Schmierung, Leckage im Ölkreislauf von im Werk-zeug integrierten Zusatzfunktionen) wird in den Wasserkreislauf immer ein bestimmter Anteil an Öl eingetragen. Öle und Fette lagern sich auf der Emulsionsoberfläche ab, verhindern den Sauerstoffaustausch und stellen so einen idealen Nährboden für Bakterien und Pilze dar. Um eine hohe Standzeit der Emulsion zu gewährleisten, ist es erforderlich, diese Ölrück-stände aus der Flüssigkeit zu eliminieren. Durch eine selbstansaugende Pumpe wird die Oberfläche der Wasseremulsion abgesaugt. Das Wasser-Öl-Gemisch wird durch einen Ölabscheider gefördert und die gereinigte Flüssigkeit der Emulsion wieder zugeführt. Das Öl wird in einen separaten Behälter abgeschieden.

Die Stabilität der Eigenschaften des Wirkmediums ist nur bei Einhal-tung der chemischen Zusammensetzung und der biologischen Stabilität re-alisierbar. Die Wasseremulsion wird hinsichtlich

− der Konzentration des Wasserzusatzes [108], − des pH-Wertes [106] und − der Konzentration der Mikroorganismen in der Flüssigkeit

überwacht. Die Kontrollintervalle liegen bei 1 bis 2 Kontrollen wöchent-lich. Für die Durchführung der Kontrollen ist eine Entnahmestelle an der Wasserpumpe vorzusehen.

Der Anteil des Zusatzes zum Wasser ist produktabhängig und liegt zwi-schen 3 und 5%. Durch den Konzentratzusatz werden die Korrosionsei-genschaften und die Schmierfähigkeit verbessert. Konservierungsmittel (Mikrobizide) führen zu einer Begrenzung der Zahl von Bakterien und Schimmelpilzen. Der Konzentratzusatz führt zu einer Anhebung des pH-Wertes der Flüssigkeit auf 8...9.

Ist der Anteil des Konzentrates zu gering, ist die entsprechende Menge Konzentrat beizumischen. Bei zu großer Konzentration wird eine entspre-chende Menge Flüssigkeit abgelassen und durch reines Wasser ersetzt. Bei Neubefüllung der Anlage wird häufig ein spezielles Mischgerät eingesetzt.

Ergibt die pH-Wert-Messung einen zu geringen pH-Wert bei unterer Grenze des Konzentratanteils, wird Konzentrat beigemischt. Ist die Kon-zentration an der Obergrenze, ist die Anzahl der Mikroorganismen zu hoch. Desinfektions- und Konservierungsmittel müssen zugeführt werden.

242 5 Maschinen

Flüssigkeiten mit einem hohen Wasseranteil unterliegen zwangsläufig einer Besiedlung mit Mikroorganismen. Es handelt sich dabei um eine Mischflora aus Bakterien und Pilzen. Aus technologischer und hygieni-scher Sicht ist der Befall der Flüssigkeit durch Mikroorganismen kritisch, da durch die mikrobiologischen Prozesse nachfolgende Auswirkungen auf-treten können:

− Die Eigenschaften der Emulsion können stark verändert werden, was zur Unbrauchbarkeit der Flüssigkeit führen kann („Umkippen“ der Flüs-sigkeit).

− Stoffwechselprodukte führen zum Abfall des pH-Wertes und dadurch zu einer Verminderung der Korrosionsbeständigkeit bzw. können aus Nitrit Nitrat und dadurch Nitrosamin bilden.

− Abgestorbene Biomasse führt zum Verklumpen der Flüssigkeit und da-mit zum Verstopfen der Filter.

− Krankheitserreger können sich ausbilden.

Die mikrobielle Belastung einer Flüssigkeit kann durch Keimindikato-ren gemessen werden. Durch spezielle Teströhrchen wird die Zahl der Mikroben (Keimzahl) ermittelt und dadurch auf das Bakterienwachstum geschlossen. Die Probe hierzu wird aus dem Wasserbehälter entnommen, aus dem die Wasserpumpen saugen.

Allgemeine Grenzwerte werden heute durch die Berufsgenossenschaft der metallverarbeitenden Industrie nicht vorgegeben. Die in den Bedie-nungsanleitungen der Hersteller aufgeführten Mess- und Auswertevor-schriften zur Ermittlung des mikrobiellen Befalls sind allerdings genau-estens einzuhalten.

Mikroorganismen können durch unterschiedliche Wege in die Flüssig-keit gelangen. Um den Eintrag von Mikroorganismen zu minimieren, soll-ten deshalb folgende Verhaltensregeln im Umgang mit der Flüssigkeit be-achtet werden:

− Das Anmischwasser sollte Trinkwasserqualität besitzen. Wasser aus Vorratsbehältern sollte nicht benutzt werden.

− Der gesamte Arbeitsbereich muss möglichst trocken gehalten werden. Eine hohe Luftfeuchte bedingt durch Nässestau (Gitterroste usw.) führt zu hohen Konzentrationen an Schimmel- bzw. Pilzsporen, die über die Luft die Flüssigkeit kontaminieren können.

− In nicht bewegten Flüssigkeiten bilden sich sauerstoffarme Bereiche, die entsprechende Mikroorganismen anziehen. Die Flüssigkeit altert sehr schnell. Ein Umwälzen bzw. Durchlüften der Flüssigkeit ist erforder-lich. Zu diesem Zweck wird die Nebenstromfilteranlage zeitgesteuert eingeschaltet.

5.5 Axialachsen 243

Prinzipiell gilt für den Wasserkreislauf einer Hydro-Umformmaschine oberste Sauberkeit, wodurch die Standzeit der Flüssigkeit wesentlich er-höht werden kann.

5.5 Axialachsen

5.5.1 Aufbau und Funktionen

Für die Hydro-Umformung rohrförmiger Werkstücke werden neben Zuhal-teeinrichtung und Innendruckachse ein oder mehrere Axial- bzw. Radial-achsen genutzt, die wesentlich das Ergebnis des Umformprozesses mit-bestimmen.

Die Axialachsen werden koaxial mit der Achse des Werkstückendes am Werkzeug angeordnet (Abb. 5.25.). Ähnliches gilt für Radialachsen, die koaxial zur Mittelachse des Nebenformelements angeordnet werden. Axial- bzw. Radialachsen realisieren folgende Grundfunktionen:

− Abdichten der Werkstückenden gegen den Werkzeug-Innendruck − Erzeugung axialer Spannungen im Werkstück, Unterstützung des Werk-

stoffflusses gegen die Reibung im Werkzeug sowie Umformen in axia-ler Richtung durch Nachschieben von Werkstoff in die Gravur

− Gegenhaltefunktion für gesteuerten Werkstofffluss in Nebenform-elemente

− Optional: Zufuhr des Wirkmediums aus der Innendruckachse in das Bauteil

Die Axialachsen bestehen aus folgenden Komponenten (Abb. 5.26.):

− dem Axialzylinder − dem Dichtstempel einschließlich Verlängerung, optional mit Hoch-

druckanschluss − den mechanischen Verbindungselementen (Zuganker, Konsolen) − dem hydraulischen Steuerblock zur Umsetzung der Bewegungsfunktio-

nen− Wegsensoren und Drucksensoren für die Ist-Signale von Kraft- und La-

geregelung

244 5 Maschinen

Werkzeugunterteil

Axialzylinder

Axialzylinder

mit Medienzufuhr

Radialzylinder

pi

Abb. 5.25. Werkzeugaufbau

Axialzylinder

Verbindungselemente

Dichtstempel

hydraulischer

Steuerblock

Drucksensoren

Wegsensor

Wirkmedienzufuhr

Werkzeug

pi

pU

pU

s

U

Abb. 5.26. Struktureller Aufbau

AxialzylinderAls Axialzylinder werden vorzugsweise doppeltwirkende Standardzylinder aus dem Sortiment der fluidtechnischen Zulieferfirmen verwendet, die über geeignete mechanische Verbindungselemente am Werkzeug befestigt wer-den. Alternativ können vom Maschinenhersteller auch Sonderzylinder be-reitgestellt werden, die bereits konstruktiv an die Anforderungen eines Axi-alzylinders angepasst sind.

Hinsichtlich der Dimensionierung dieser Zylinder geht man vom erfor-derlichen maximalen Kraftbedarf während der Umformung aus. Die Axi-alkraft setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen:

5.5 Axialachsen 245

stirnireibaxialumformaxial ApFFF ⋅++= (5.10)

Astirn Stirnfläche des Dichtstempels Faxial Axialkraft Freib Reibkraft zwischen Werkstück und Werkzeug Fumform axial Umformkraft in axialer Richtung pi Werkzeug-Innendruck

Hierbei sind für die Umformkraft und die Reibkraft nur die für den je-weiligen Axialzylinder relevanten Anteile zu berücksichtigen. Das Maxi-mum der Axialkraft während des Umformvorganges dient als Basis zur Bestimmung der Zylindergröße, wobei die Besonderheit der hydraulischen Steuerkette und deren Steuerung bzw. Regelung bei der Auslegung zu be-rücksichtigen ist. Üblicherweise werden deshalb vom Maschinenhersteller nur wenige Zylindergrößen mit Spezifikation ausgewiesen und zur Nut-zung am Werkzeug empfohlen.

Dichtstempel Der Dichtstempel ist unmittelbar an der Kolbenstange des Axialzylinders befestigt und übernimmt die Funktion der Abdichtung der Werkstücken-den gegen den Werkzeug-Innendruck. Die Konstruktion des Dichtstempels ist dabei stark von der Geometrie des Werkstücks und dem Charakter des Werkzeugs abhängig. Nähere Informationen hierzu sind in Abschn. 4.1.1.6 zu finden.

Für die Zufuhr des Wirkmediums in das Werkstück ist mindestens einer der Dichtstempel mit einer axialen Bohrung versehen. Vom Drucküberset-zer bzw. von der Füllpumpe kann das Wirkmedium über den Hochdruck-anschluss am Dichtstempel und dessen axialer Bohrung in das Werkzeug fließen.

Mechanische Verbindungselemente Wegen der werkzeugspezifischen Art der mechanischen Ankopplung der Axialzylinder sowie der Gestaltung des Dichtstempels sind Axialachsen aus konstruktiver Sicht Bestandteil des Werkzeugs und verbleiben meist auch bei Werkzeugwechsel am Werkzeug. Aus Sicht der Antriebsstruktur sind sie jedoch eine Komponente der hydraulischen Steuerkette der Ma-schine, die für die Realisierung der Funktion der Axialachsen zuständig ist. Das ist eine Besonderheit der Axialachsen, aus der sich die Einhaltung be-stimmter Restriktionen beim Design und Betrieb der Werkzeuge ergibt.

246 5 Maschinen

Für die mechanische Ankopplung der Axialzylinder an das Werkzeug gibt es bevorzugte konstruktive Lösungen:

− Zuganker-Bauweise− Konsolen-Bauweise− sonstige Befestigungsarten und Kombinationen

Axialzylinder in Zuganker-Bauweise werden über zwei massive Zugan-ker direkt am Werkzeug befestigt. Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig kurzer und direkter Schluss des Kraftflusses zwischen Axialzylinder und Werkzeug. Hierbei sind die geometrischen Fehler zwischen der Achse des Axialzylinders und der Achse des Werkstückendes in engen Toleranzen realisierbar. Diese Bauweise ist kompakt und Platz sparend, erfordert je-doch einen hohen Bearbeitungsaufwand für die Befestigungselemente der Zuganker im Werkzeug. Zwei realisierte Ausführungsformen sind in Abb. 5.27. dargestellt.

Bei der Konsolen-Bauweise (s. Abb. 5.28.) wird der Axialzylinder in ei-ne Konsole eingesetzt, die entweder direkt am Werkzeug oder auf der Werkzeug-Aufspannplatte des Ober- bzw. Unterwerkzeugs befestigt oder neben dem Werkzeug auf dem Maschinentisch angeordnet ist. Die Konso-le realisiert über formschlüssige Elemente den Kraftfluss mit dem Werk-zeug. Diese Bauweise erfordert einen größeren Platzbedarf, ist in der räumlichen Anordnung der Axialzylinder eingeschränkt flexibel und ist bezüglich des Kraftflusses und der dabei auftretenden Verformungen we-niger günstig als die Zuganker-Bauweise. Hinsichtlich des Bearbeitungs-aufwandes speziell am Werkzeug bietet diese Bauweise jedoch Vorteile.

Alternativ kommen auch andere Befestigungsarten der Axialzylinder zum Einsatz, wie beispielsweise die Fußpunktbefestigung der Zylinder am Maschinentisch. Hier ist jedoch ein erheblicher Aufwand beim Ausrichten des Axialzylinders zum Werkzeug erforderlich.

5.5 Axialachsen 247

Variante 1 Variante 2

Dichtstempel

sU

Axialzylinder

Konsole

Wirkmedienzufuhr

sU

Zuganker

Werkzeug

A

Schnitt A-A

pi

pi

A

Dichtstempel

sU

Axialzylinder

Distanzstück

Wirkmedienzufuhr

sU

Zuganker

A

pi

pi

A

Schnitt A-A

Werkzeug

Abb. 5.27. Zuganker-Bauweise

Dichtstempel

Konsole

Wirkmedien-

zufuhr

sU

sU

Axialzylinder

A

Schnitt A-A

Unterwerkzeug

Oberwerkzeug

pi

pi

A

Abb. 5.28. Konsolen-Bauweise

248 5 Maschinen

5.5.2 Hydraulische Steuerkette

Die Axialachsen durchlaufen während des Maschinenzyklus folgende Zu-stände:

1. Warten in Ausgangsstellung 2. Anfahren Füllposition 3. Anfahren an Werkstückende und Aufbau Dichtkraft 4. a) Halten Dichtkraft bei steigendem Werkzeug-Innendruck

b) aktives Nachschieben von Material 5. Dekompression 6. Rückzug in Ausgangsstellung

Die Axialachsen erfüllen also im Maschinenzyklus sowohl Aufgaben der Positionierung, das Abfahren einer vorgegebenen Wegfunktion als auch die Kraftregelung bzw. das Abfahren eines vorgegebenen Kraftpro-fils. Dementsprechend sind sowohl die hydraulische Steuerkette als auch die zugehörige Steuerung für folgende Aufgaben ausgelegt:

− Wegsteuerung− Kraftsteuerung− Übergang zwischen diesen beiden Betriebsarten

Die hydraulische Steuerkette ist für derartige Aufgaben als kombinierte Druck-Volumenstromsteuerung oder -regelung ausgeführt (auch als p/Q-Steuerung bezeichnet). Hierfür existieren verschiedene Lösungsvarianten. Für Axialachsen kommen folgende Varianten bevorzugt zum Einsatz:

− jeweils ein Proportional-Druckbegrenzungsventil für die Druckfunktion parallel zu einem Proportional-Wegeventil für die Wegfunktion

− alternativ ein Proportional-Druckbegrenzungsventil für die Druckfunk-tion parallel zu einer Verstellpumpe mit Förderstromverstellung oder -regelung für die Wegfunktion

− ein Regelventil oder Proportional-Wegeventil im Regelkreis mit ablö-sender Regelung

Der Einsatz von zwei getrennten Stellgliedern für die kombinierte Kraft- und Wegsteuerung ist ein in der Vergangenheit oft genutztes hydraulisches Antriebskonzept (Abb. 5.29.). Es bietet den Vorteil, beide Funktionen ge-trennt voneinander einzustellen, wobei der Übergang zwischen den Be-triebsarten abhängig vom Lastfall selbsttätig erfolgt. Für die Kraft- und Wegsteuerung ist dabei mit dem Einsatz von Proportionalventilen ein rein gesteuerter Betrieb ohne Rückführung der Istgrößen realisierbar. Die Sen-soren dienen zur Prozessdatenerfassung und für die Ablaufsteuerung. Nachteilig ist beim gesteuerten Betrieb die geringere Güte der Stellgrößen

5.5 Axialachsen 249

sowohl aus dynamischer Sicht (Überschwinger) als auch aus statischer Sicht (Hysterese, Umkehrspanne, Ansprechempfindlichkeit).

Wirkmedienzufuhr

Werkzeugunterteil

Pumpe Axialachsen

Pumpen-

absicherung

Axialzylinder

180/120-110

Proportional-Wegeventil NG16

(Richtung, Geschwindigkeit, Position)

Proportional-

Druckbegrenzungsventil NG10

(Axialkraft)

pi

A

P T

B

Us

pU

pU

P

T

P

T

sU

Abb. 5.29. Axialzylinder mit zwei Stellgliedern

Moderne Anlagen verfügen über Axialachsen mit nur einem Stellglied – einem Stetig-Wegeventil mit Nullschnitt-Kolben. Hierfür eignen sich Pro-portional-Wegeventile, Regelventile oder Servoventile geeigneter Nenn-größe. Die Auswahl richtet sich nach den geforderten dynamischen Eigen-schaften, wobei meist die kostengünstigeren Proportional-Wegeventile zum Einsatz kommen.

Kennzeichnend für diese Konfiguration (Abb. 5.30.) ist ein Betrieb der Axialachsen im Regelkreis. Hierzu verfügen die Axialzylinder über Weg- und Kraftsensoren. Die Signale werden dem Regler, der als Software in ei-ner geeigneten Steuerung implementiert ist, zugeführt. Dieser Regler be-rechnet die erforderlichen Stellsignale an das Stellglied als Lage- oder

250 5 Maschinen

Kraftregler und übernimmt das Management des Überganges von einer Regelart auf die andere und zurück. Der Vorteil dieses Konzepts liegt in der hohen Güte der Reproduktion der programmierten Bewegungsabläufe.

sU

Pumpe Axialachsen

Pumpen-

absicherung

Proportional-Wegeventil NG16

(Richtung, Geschwindigkeit, Position,

Kraft)

pU

pU

Achscontroller

oder

Regel-PC

Sollwerte

pi

A

P T

B

Us

P

T

Wirkmedienzufuhr

Werkzeugunterteil

Axialzylinder

180/120-110

Abb. 5.30. Axialzylinder mit einem Stellglied

Als Besonderheit der hydraulischen Steuerkette der Axialachsen ist der Umstand zu beachten, dass die Axialzylinder meist Bestandteile des Werkzeugs sind, die Stellventile sowie die zugehörigen Steuer- und Re-gelkomponenten sind jedoch als Bestandteile der Maschine zugeordnet. Die Verbindung zwischen Axialachse und Stellventil erfolgt deshalb über flexible, lösbare Verbindungen, i.d.R. Schlauchleitungen mit Schnellver-schlusskupplungen. Eine derartige Konfiguration führt zu Restriktionen im praktischen Einsatz:

− Design und Dimensionierung der Axialzylinder müssen engen Vorga-ben des Maschinenherstellers genügen. Nur unter dieser Voraussetzung können die Herstellerangaben zu Parametern der Axialachsen wie ma-ximale Kraft, Verfahrgeschwindigkeit usw. eingehalten werden.

5.6 Niederhalter 251

− Die Reglereinstellungen moderner Axialachsen in der Maschinensteue-rung und daraus folgend die erreichbaren Gütewerte werden wesentlich durch die Größe der Axialzylinder mitbestimmt. Auch aus diesem Grund ist die Einhaltung der Herstellervorgaben erforderlich.

− Bedingt durch die Schlauchverbindung zwischen Axialzylinder und Stellventil können die theoretisch möglichen Kreisverstärkungen der Achsen nicht erreicht werden. Diese reduzierte Dynamik ist bei der Vorgabe von Sollverläufen für Kraft und Geschwindigkeit zu beachten.

Axialzylinder mit direkt angeflanschten Stellventilen und integriertem Achscontroller als alternative Konfiguration könnten diese Restriktionen aufheben, kommen jedoch aus Kostengründen bisher nicht zum Einsatz.

5.6 Niederhalter

Für die Hydro-Umformung von Blechteilen ist, ähnlich wie beim Tiefzie-hen, eine Beeinflussung des Blecheinzugs notwendig. Hierfür wird die Pla-tine zwischen Niederhalter und Ziehring definiert eingespannt. Die Ein-spannung hat so zu erfolgen, dass sowohl Faltenbildung als auch Reißen des Bleches beim Einzug vermieden werden.

Zur Realisierung dieser Funktion in Maschinen zur Hydro-Umformung werden zwei Ansätze genutzt:

− Doppeltwirkende Zuhalteeinrichtung mit Blechhalterstößel − Einfachwirkende Zuhalteeinrichtung mit Ziehkissen

Eine doppeltwirkende Zuhalteeinrichtung besitzt zwei Stößel, wobei der erste Stößel die klassische Funktion des Zuhaltens übernimmt, während der Blechhalterstößel definierte Einspannverhältnisse der Platine zwischen Niederhalter und Ziehring realisiert.

In der technischen Umsetzung sind sowohl kraftschlüssige als auch formschlüssige Zuhalteeinrichtungen für den Einsatzfall Hydro-Blechum-formung modifizierbar. Die Variante der kraftschlüssigen Zuhalteeinrich-tung entspricht in ihrem Aufbau einer doppeltwirkenden hydraulischen Presse. Für diese Bauart gilt sinngemäß das bereits in Hauptabschn. 5.3.3 über kraftschlüssige Zuhalteeinrichtungen/hydraulische Pressen Gesagte hinsichtlich einer relativen Überdimensionierung der hydraulischen An-triebe für den Einsatzfall der Hydro-Umformung. Abbildung 5.31. zeigt den Aufbau einer doppeltwirkenden kraftschlüssigen Zuhalteeinrichtung für die Hydro-Umformung von Blechteilen.

252 5 Maschinen

Günstiger in der Dimensionierung der Antriebe sind formschlüssige Zu-halteeinrichtungen. Eine doppeltwirkende formschlüssige Zuhalteeinrich-tung ist schematisch in Abb. 5.32. dargestellt [138].

Doppeltwirkende Zuhalteeinrichtungen können i.d.R. sowohl für die Hydro-Umformung von Rohren (IHU) als auch von Blechen eingesetzt werden, wobei letztere Applikation je nach Gestaltung des Werkzeugs so-wie der Innendruckachse sowohl den Prozess des hydromechanischen Tiefziehens als auch des Außenhochdruck-Umformens (AHU) realisieren kann.

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Schließzylinder

Wasserkasten

Stößel

Werkzeug

Blechhalter

Blechhalterstößel

Blechhalterzylinder

pi

Abb. 5.31. Doppeltwirkende kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung

5.6 Niederhalter 253

Tisch

Seitenständer

Kopfstück

Schließzylinder

Wasserkasten


Stößelriegel

Druckkissen

Stößel

Werkzeug

Blechhalter

Blechhalterstößel

Blechhalterriegel

Blechhalterzylinder

pi

Abb. 5.32. Doppeltwirkende formschlüssige Zuhalteeinrichtung

Die einfachwirkende Zuhalteeinrichtung wird zur Erzeugung definierter Einspannverhältnisse der Platine zwischen Niederhalter und Ziehring mit einem Ziehkissen ausgerüstet. Dessen Aufbau und Funktion ist klassischen Zieheinrichtungen an Tiefziehpressen ähnlich, jedoch geschieht der Kraft-aufbau i.d.R. nicht durch Verdrängen der Kissenzylinder, sondern mit aktivem Kraftaufbau. Eine kraftschlüssige Zuhalteeinrichtung mit Mehr-punkt-Ziehkissen ist in Abb. 5.33. dargestellt. Solche Mehrpunkt-Zieh-kissen erlauben eine gezielte, örtlich begrenzte Einleitung unterschied-licher Pinolenkräfte über dem Niederhalterumfang. Dadurch können die Einzugsverhältnisse örtlich an die Gegebenheiten des Werkstücks ange-passt werden.

254 5 Maschinen

Seitenständer

Kopfstück

Schließzylinder

Stößel

Tisch

Schiebetisch

Kissenzylinder

Werkzeug

Niederhalterpi

Abb. 5.33. Einfachwirkende Zuhalteeinrichtung mit Mehrpunkt-Ziehkissen

Neben der Funktion der Steuerung des Blecheinzugs muss der Nieder-halter für die Hydro-Umformung die Dichtheit des Werkzeugs gewährleis-ten. Beide Funktionen stehen konträr zueinander: Mit wachsender Pino-lenkraft ist zwar die Dichtheit des Werkzeugs besser zu gewährleisten, es verschlechtern sich aber die Bedingungen für den Blecheinzug. Daraus er-gibt sich ein relativ kleiner Einstellbereich für die Pinolenkräfte, um Gut-teile zu erzeugen. Generell wird man in der Phase des Ziehvorganges mit einer gewissen Leckage des Werkzeugs rechnen müssen, die beispielswei-se aus der durch die Materialaufdickung beim Blecheinzug bedingten Spalthöhe resultiert [10]. In der Praxis verhindert man Leckage oft mit elastischen Dichtelementen oder Folien, die jedoch einem starken Ver-schleiß unterliegen.

5.7.1 Funktionen 255

5.7 Maschinensteuerung

5.7.1 Funktionen

Unter Steuerung nach DIN 19226 [105] versteht man im engeren Sinne ei-nen Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen (Ein-gangsgrößen) andere Größen (Ausgangsgrößen) aufgrund der dem System eigenen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Steuerung oft für die Gesamtheit an Hardware und Software zur Realisierung der Funktion der Maschine verwendet.

Die Steuerung für Maschinen der Hydro-Umformung ist in Aufbau und Funktion eng verwandt mit typischen Pressensteuerungen, insbesondere Steuerungen für hydraulische Pressen. Andererseits ergeben sich aus der Spezifik des Hydro-Umformprozesses und der daran beteiligten Kompo-nenten und Baugruppen besondere steuerungstechnische Anforderungen, die sich im Design der Steuerung widerspiegeln.

Grundlegende Funktionen, die durch die Steuerung einer Hydro-Umformmaschine realisiert werden, sind:

− Ablaufsteuerung− Sicherheitssteuerung− Regelungen− Visualisierung/Bedienung − Kommunikation mit übergeordneter Anlagensteuerung (speziell Werk-

stück-Handling)

Aufgabe der Ablaufsteuerung ist die Realisierung der meist zyklischen Bewegungsfunktionen der einzelnen Baugruppen der Maschine sowie aller zugehörigen Hilfsfunktionen. Die Umsetzung erfolgt schrittweise mit zeit- oder prozessabhängigen Weiterschaltbedingungen. Hierzu werden die In-formationen der Sensoren und Initiatoren über den Zustand der einzelnen Baugruppen und Komponenten eingelesen und logisch verknüpft. Je nach Zustand innerhalb des Ablaufs werden die jeweiligen Stellsignale an die Stellglieder (Magnete, Motoren usw.) sowie die anderen Steuerungskom-ponenten ausgegeben.

Hydro-Umformmaschinen können, wie auch herkömmliche Umform-maschinen, Gefahr bringende Bewegungen ausführen und unterliegen da-mit harten sicherheitstechnischen Anforderungen [4, 88, 89]. Zur Gewähr-leistung der personellen Sicherheit wird u.a. eine redundante Ausführung bestimmter Stellglieder und Aktoren gefordert.

256 5 Maschinen

Diese Redundanz findet sich auch in der Sicherheitssteuerung wieder. Aufgabe der Sicherheitssteuerung ist die Erfassung und Verarbeitung si-cherheitsrelevanter Informationen von Bedienelementen wie Zweihand-Bedienung, Schutzgitter, Ventilüberwachung und anderen sowie die Gene-rierung entsprechender Signale für sicherheitsrelevante Stellglieder wie Sicherheitsventile. Zudem werden Zustandsinformationen im Sinne von Freigaben an die anderen beteiligten Steuerungsbaugruppen übermittelt.

Neben den klassischen Aufgaben einer Ablaufsteuerung sind in Hydro-Umformmaschinen mehrere geregelte Bewegungsfunktionen zu realisie-ren. Diese Regelungen beziehen sich insbesondere auf die Innendruckach-se und die Axialachsen. Regeln ist nach DIN 19226 [105] ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe fortlaufend erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und, abhängig vom Ergebnis dieses Ver-gleichs, im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlos-senen Kreis, dem Regelkreis, statt. Typische Regelungsaufgaben an Hydro-Umformmaschinen sind Druckregelungen, Kraftregelungen und Lageregelungen. Oft sind Kombinationen im Sinne ablösender Regelungen erforderlich. Wegen der spezifischen Forderungen an Regelungskompo-nenten werden diese Aufgaben oft mit dafür spezialisierten Baugruppen umgesetzt.

Die Kommunikation mit dem Maschinenbediener (Mensch-Maschine-Interface) erfolgt mit Hilfe des Visualisierungs- und Bediensystems. Der Bediener kann mit Parametern und Sollwerten die Maschine an den Ferti-gungsprozess anpassen, wobei Datenbanken mit gespeicherten Werkzeug-parametern diese Tätigkeit unterstützen. Er kann manuelle Funktionen aus-lösen (Anwahl von Betriebsarten, Ein/Ausschalten von Baugruppen, manuelles Bewegen). Er erhält Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine oder des Prozesses und kann mit Diagnosefunktionen Fehler im System erkennen und teilweise lokalisieren. Für diese Aufgaben kom-men zunehmend multimediale Techniken zum Einsatz.

In vielen Fällen arbeitet die Hydro-Umformmaschine im verketteten Be-trieb mit anderen Fertigungseinrichtungen und Handlingsystemen. Hierbei müssen zwischen den beteiligten Einrichtungen Informationen zur Syn-chronisation der Abläufe ausgetauscht werden. Üblicherweise erfolgt die-ser Informationsaustausch durch Kommunikation mit einer übergeordneten Anlagensteuerung. Zunehmend kommen hier aber auch dezentrale Struktu-ren zum Einsatz, bei denen die Informationen direkt an die zuständige Ein-richtung übertragen werden. Darüber hinaus kann dieser Kommunika-tionskanal, der meist über Ethernet-Architekturen realisiert ist, für eine Ferndiagnose oder Fernwartung der Maschine genutzt werden.

5.7.2 Steuerungsarchitektur 257

5.7.2 Steuerungsarchitektur

Die Steuerungsarchitektur für Maschinen zur Hydro-Umformung ist ur-sprünglich wegen deren konzeptioneller Nähe zu hydraulischen Pressen von deren Pressensteuerung abgeleitet. Mit fortschreitender Qualifizierung der Maschinen ergaben sich jedoch ganz spezifische Anforderungen, die sich auch in der Steuerungsarchitektur wiederfinden. Insbesondere betrifft dies die Bedienung der Innendruckachse sowie der Axialachsen, für die besondere Anforderungen bestehen. In der Steuerungsarchitektur einer Hydro-Umformmaschine spiegelt sich auch die Evolution steuerungstech-nischer Lösungen der letzten Jahre wider.

Folgende grundlegende Hardware-Konzepte für Steuerungen von Hydro-Umformmaschinen sind zu nennen:

− Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) − SPS und spezielle mehrachsige Achscontroller − Industrie-PC mit Soft-SPS und zusätzlichen, kundenspezifischen Regel-

tasks− Offene NC-Steuerung − Motion-Control-Steuerungen (Beckhoff, Simotion etc.)

Die genannten Hardware-Konzepte enthalten in weitgehend ähnlicher Art die weiteren Steuerungskomponenten Sicherheitssteuerung, Bedien-einheiten und Visualisierungseinheit. Sie sind üblicherweise in einen Schaltschrank gemeinsam mit den Komponenten der konventionellen Elektrik (Einspeisung, Leistungsschaltanlage, Niederspannungs-Stromver-sorgung, Niederspannungsschaltanlage, Sicherheitsschaltungen usw.) inte-griert.

Das Konzept auf Basis einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) (Abb. 5.34.) ist gekennzeichnet durch relativ geringen Hardware-Aufwand. Bedingt durch die Zykluszeit der SPS lassen sich jedoch nur be-grenzt, vielfach gar keine Aufgaben der Achsregelung realisieren. Aus die-sem Grund wird dieses Konzept nur für rein gesteuerte Achsen auf Basis von Proportional-Wegeventilen sowie Proportional-Druckventilen einge-setzt. Die Rückwirkungen des Umformprozesses auf Kräfte oder Bewe-gungen der beteiligten Achsen sind so nicht erkennbar und damit auch nicht kompensierbar.

258 5 Maschinen

Sicherheitssteuerung

Pilz

SPS

Maschinensteuertafel

Visualisierung

Hubsteuerung

SPS

S7-400

Eth

ern

et-

TC

P o

der

RS

485

pi

Profibus

...ProfibusProfibus

Profibus

ProfibusEthernet

Abb. 5.34. Steuerungsarchitektur auf Basis SPS

Aus diesem Grund werden heute bevorzugt lage- und kraftgeregelte hydraulische Achsen eingesetzt, für deren Steuerung und Regelung das Konzept auf Basis einer SPS um eine geeignete mehrachsige Regler-Baugruppe ergänzt werden musste (Abb. 5.35.). Diese Reglerbaugruppe basiert meist auf einem Industrie-PC mit geeignetem Echtzeit-Betriebs-system (Regel-PC). Die Regeltasks für die einzelnen Achsen sind oft in der Programmiersprache C erstellt. Hier liegt auch die Problematik dieser Lösung, da die Erstellung und Pflege der Software des Industrie-PC in den Händen des Maschinenherstellers liegt. Das bindet erhebliche personelle und finanzielle Ressourcen.


Pilz

SPS

Hubsteuerung

SPS

S7-400

Profibus

...ProfibusProfibus

Profibus

ProfibusEthernet

pi


Industrie-PC

Eth

ern

et-

TC

P o

de

r R

S4

85

Abb. 5.35. Steuerungsarchitektur auf Basis SPS mit Regel-PC

5.7.2 Steuerungsarchitektur 259

Eine Modifikation dieser Variante ist die ausschließliche Nutzung eines Industrie-PC sowohl für die Regeltasks als auch für die Ablaufsteuerung mit so genannter Soft-SPS.

Neuere Entwicklungen der kommerziellen Steuerungstechnik erlauben die Integration geregelter hydraulischer Achsen in die Hardware-Architek-tur. Ein Vertreter dieser Steuerungen ist die offene NC-Steuerung Siemens 840D, die mit HLA5-Modulen im SIMODRIVE 611-Antriebsverbund auch den Betrieb mehrerer hydraulischer Achsen erlaubt. Zudem können dank der Offenheit der Schnittstellen eigene Routinen bei Bedarf in den NC-Kern implementiert werden. Die Struktur einer solchen Lösung ist in Abb. 5.36. dargestellt. Die geregelten Achsen von Zuhalteeinrichtung, Innen-druckachse und Axialachsen werden über ein NC-Programm im Hinter-grund bedient, alle anderen Funktionen über die integrierte SPS. Vorteil dieser Lösung ist die Nutzung des großen Potenzials an steuerungs- und regelungstechnischem Know-how des Steuerungsherstellers und damit ei-ne Entlastung der eigenen Ressourcen für die Entwicklung und Wartung solcher Software.

Die gegenwärtig bevorzugte Lösung für die Steuerungsarchitektur einer Hydro-Umformmaschine beruht auf dem Motion-Control-Konzept. Bei diesen Steuerungen (s. Abb. 5.37.) sind sowohl die SPS-Funktion als auch Motion-Control-Funktionen und Technologie-Funktionen auf einer Hard-ware-Plattform vereinigt. Üblicherweise basiert die Hardware auf leis-tungsfähigen Industrie-PC-Architekturen mit Echtzeit-Betriebssystem, un-ter dem die einzelnen Funktionen (Soft-SPS, Regler usw.) als separate Tasks laufen. Motion-Control-Steuerungen werden mit einem umfangrei-chen Paket an Entwicklungs-Software ausgestattet, das die Programmie-rung mit den meisten Sprachen nach IEC 61131-3 [109] ermöglicht:

− IL (Instruction List), deutsch AWL (Anweisungsliste) − LD (Ladder Diagram), deutsch KOP (Kontaktplan) − FBD (Function Block Diagram), deutsch FUP (Funktionsplan) − SFC (Sequential Function Chart), deutsch AS (Ablaufsprache) − ST (Structured Text), (strukturierter Text, angelehnt an Hochsprachen)

Darüber hinaus lassen sich eigene Tasks in C++ oder ähnlichen Hoch-sprachen entwerfen und in die Applikation integrieren.

5 Hydraulischer Linearantrieb

260 5 Maschinen


Pilz

SPS

Hubsteuerung

SPS

S7-400

Profibus

...ProfibusProfibus

Profibus

ProfibusEthernet


Visualisierung

Eth

ern

et-

TC

P o

der

RS

485

NCUN/E

Offene

NC-Steuerung

pi

Abb. 5.36. Steuerungsarchitektur mit offener NC-Steuerung

Eth

ern

et

Pro

fib

us

Motion-Control


Pilz

SPS


Visualisierung

pi

Profibus

...ProfibusProfibus

Profibus

Antriebs-

basiert

Abb. 5.37. Steuerungsarchitektur mit Motion-Control-Steuerung

5.7.3 Bedienkonzepte

Die Kommunikation mit dem Maschinenbediener (Mensch-Maschine-Interface) erfolgt mit Hilfe des Visualisierungs- und Bediensystems. Der Bediener kann mit Parametern und Sollwerten die Maschine an das jewei-

5.7.3 Bedienkonzepte 261

lige Werkzeug bzw. den Fertigungsprozess anpassen, wobei Datenbanken mit gespeicherten Werkzeugparametern diese Tätigkeit unterstützen. Er kann manuelle Funktionen auslösen (Anwahl von Betriebsarten, Ein/Aus-schalten von Baugruppen, manuelles Bewegen in der Betriebsart Einrich-ten). Er erhält Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine oder des Prozesses und kann mit Diagnosefunktionen Fehler im System erken-nen und teilweise lokalisieren. Für diese Aufgaben kommen zunehmend multimediale Techniken zum Einsatz.

Das Bedienkonzept von Hydro-Umformmaschinen berücksichtigt die spezifischen Besonderheiten der Baugruppen dieses Maschinentyps. Insbe-sondere ist eine ausreichend flexible Eingabe der Sollwertverläufe für die Innendruckachse sowie die Axialachsen nach Kraft und Position bzw. Ge-schwindigkeit erforderlich. Diese Eingaben können auf verschiedene Wei-se vorgenommen werden:

− Profil-Programmierung (fester Zyklus) − Freie Zyklusprogrammierung

Die Profil-Programmierung (Abb. 5.38.) erlaubt die Vorgabe der Soll-wertverläufe für die Innendruckachse sowie die Axialzylinder für eine be-grenzte Anzahl von Stützstellen über der Zeit oder über dem Weg in den entsprechenden Eingabemasken. Diese Herangehensweise ist ähnlich der Programmierung von Achsen konventioneller hydraulischer Pressen und wurde für die Belange von Hydro-Umformmaschinen modifiziert. Diese Sollwertverläufe sind in einen festen Maschinenzyklus eingebunden, die Anzahl der möglichen Achsen ist determiniert.

Die freie Zyklusprogrammierung (Abb. 5.39.) erlaubt es, den Maschi-nenzyklus einschließlich der Regelfunktionen von Innendruck- und Axial-achsen flexibel festzulegen. Hierzu werden vorgefertigte Funktionsblöcke mit Hilfe von Icons in geeigneter Weise verkettet, wobei neben der Rei-henschaltung auch parallele Zweige in diesem Netzwerk möglich sind. Die so verketteten Funktionsblöcke können separat parametriert werden. Diese Art der Programmierung ist sehr flexibel und berücksichtigt die Vielfalt der Anforderungen an den technologischen Prozess im Werkzeug beson-ders gut.

262 5 Maschinen

Abb. 5.38. Profil-Programmierung (SIEMPELKAMP MASCHINEN- UND ANLAGEN-BAU GMBH & CO. KG)

Abb. 5.39. Freie Zyklusprogrammierung

5.7.3 Bedienkonzepte 263

Unverzichtbar für die Überwachung des Umformprozesses ist eine ge-eignete Prozessvisualisierung, mit der die Istwerte von Kraft, Druck oder Weg der beteiligten Maschinenachsen aufgezeichnet und dem Bediener in grafischer Form zur Auswertung ausgegeben werden (Abb. 5.40.). Diese Informationen können sowohl für eine Prozessüberwachung als auch in speziellen Fällen für eine Fertigungsdokumentation der Teile genutzt wer-den.

Abb. 5.40. Prozessvisualisierung für eine Hydro-Umformmaschine

6 Planung von Hydro-Umformprozessen

6.1 Grundlegende Aspekte der Planung von Hydro-Umformprozessen

Bei der fertigungstechnischen Auslegung und Planung von Hydro-Umformprozessen ist grundsätzlich zwischen dem Basisvorgang als solchem und ganzheitlichen Technologieketten unter Integration von Hydro-Umformprozessen zu unterscheiden. Die Ausrichtung der Pla-nungsaktivitäten auf den einen oder anderen Schwerpunkt wird durch kon-krete Zielgrößen hinsichtlich Fertigungskonzept, Stückzahl, Seriencharak-ter sowie durch den angestrebten Automatisierungs- und Integrationsgrad der Fertigung bestimmt.

Die jeweiligen Besonderheiten, die sich beim Hydro-Umformprozess insbesondere hinsichtlich der Verwendung von Rohren oder ebenen Plati-nen als Halbzeuge unterscheiden lassen, werden nachfolgend dargestellt.

Die Planung und Umsetzung der Hydro-Umformtechnologie für einen konkreten Anwendungsfall lässt sich dabei z.B. in die Etappen

− Untersuchung der technischen Machbarkeit, − Wirtschaftlichkeitsanalyse, − Prototypischer Machbarkeitsnachweis und − Serienvorbereitung und -einführung

unterteilen. Auf technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeitsanalyse wird nachfolgend näher eingegangen.

Die Untersuchung der technischen Machbarkeit, d.h. der Darstellbarkeit einer gewünschten Bauteilform mittels Hydro-Umformprozess (entweder aus einem Profilrohr oder aus einer oder mehreren ebenen Blechplatinen), beginnt zumeist mit der vergleichenden Analyse analoger Ferti-gungsbeispiele, die zumindest bezüglich Bauteilform, Werkstoff, Stück-zahl, Genauigkeitsparameter sowie Fertigungskonzept erfolgt. Neben der Nutzung von Erfahrungswissen bezieht sich die Analyse ebenso auf die Frage, ob es sich um die Nutzung bereits vorhandener Fertigungstechnik oder die Entwicklung eines Konzepts mit Neuinvestition handelt.

266 6 Planung von Hydro-Umformprozessen

Grundparameter der Machbarkeit sind

− der maximal erforderliche Wirkdruck sowie der Druckverlauf (Belas-tungsanalyse) und

− die erforderliche Volumenverteilung des Werkstoffs vom Halbzeug zur Fertigform (Geometrieanalyse).

Während die Analyse des erforderlichen Wirkdrucks hinsichtlich Plasti-fizierung und Fließbeginn in einer ersten Abschätzung anhand der aus der bekannten Kesselformel abgeleiteten Gl. (3.1) in Abschn. 3.3.2.3 bzw. Gl. (4.2) im Hauptabschn. 4.1.3 erfolgen kann, wird der Maximaldruck durch die kleinsten auszuformenden Radien am Bauteil bestimmt. Beispie-le zur Vorgehensweise und Parameterrichtwerte für die Praxis sind in [18] aufgezeigt.

Bei der Analyse der Volumenverteilung im Bauteil ist zu berücksichti-gen, dass im allgemeinen Fall Rohrprofile, d.h. Profile mit einem konstan-ten, kreisrunden Querschnitt zum Einsatz kommen und somit der kleinste Querschnitt des Bauteils die Grundgeometrie des einzusetzenden Halb-zeugs definiert. Durch Nutzung eines gezielten Nachschiebens von Werk-stoff während der Ausformung im IHU-Vorgang durch zusätzliches Auf-bringen von Druckspannungen mittels Axialzylinder kann gezielt Einfluss auf die Werkstoffverteilung genommen werden. Es sind darüber hinaus unterschiedliche Konzepte bekannt, die eine Flexibilisierung der direkten Geometriebindung zwischen Rohrhalbzeug und IHU-Bauteil ermöglichen (Falte, Vorform, tailored tube). Die Hydro-Umformpraxis hat gezeigt, dass Auswahl und Verfügbarkeit des Halbzeugs nicht nur die technische Mach-barkeit wesentlich beeinflussen, sondern ebenso von grundsätzlicher Be-deutung für die Wirtschaftlichkeit und somit die gesamtheitliche Akzep-tanz der Anwendung der Hydro-Umformtechnologie sind.

Bestandteil der Machbarkeitsanalyse sind ebenso Untersuchungen zum Werkzeugkonzept.

Ein weiterer Aspekt der Machbarkeit ist die Auswahl eines adäquaten Steuerungsablaufs der Prozessparameter unter Berücksichtigung der Anla-gentechnik. Zeit-, weg- oder druckabhängige Prozessfolgen kommen zur Anwendung. Bekannt geworden sind auch Aspekte, die sich bei der An-wendung volumenabhängiger Steuerungskonzepte nutzen lassen [170].

Moderne Planungskonzepte integrieren bei der Prozessauslegung unab-dingbar Elemente der Virtuellen Realität, insbesondere die Simulation der Umformvorgänge unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM). Fi-nite-Elemente-Berechnungen kommen insbesondere zur Parameterfindung, Prozessanalyse und Optimierung vor der hardwareseitigen Fertigung der Werkzeug- und Wirkelemente sowie bei ersten Untersuchungen an Proto-

6.1 Grundlegende Aspekte der Planung von Hydro-Umformprozessen 267

typ-Bauteilen und der Unterstützung experimenteller Machbarkeitsstudien zum Einsatz.

Parallel zur technischen Machbarkeit beinhaltet die Planung eines Hydroumform-Fertigungsablaufs ebenso die Wirtschaftlichkeitsanalyse.Grundbestandteile der Wirtschaftlichkeitsanalyse sind:

− Materialkosten− Werkzeug- und Anlagenkosten − Stückzeiten− Personalkosten

Die Darstellung von vertieften Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu IHU-Vorgängen ist weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Aufgrund der engen Verbindung zur technischen Machbarkeit soll nachfolgend jedoch zumindest auf die Halbzeug- und Materialkosten sowie die Stückzeiten näher eingegangen werden.

Halbzeug- und Materialkosten Rohrprofile sind aufgrund der bereits erhöhten Wertschöpfung gegenüber ebenen Blechzuschnitten zumeist teurer (Richtwert: 2fach). Andererseits beinhaltet die geschlossene Profilform durch die zu erwartende erhöhte Bauteilsteife und den Wegfall von ggf. notwendigen Flanschen die Chance zur Materialeinsparung. Diese Vorteile sind in der Bauteilgestaltung und Prozessauslegung zu berücksichtigen.

Ebenso ist die prozessspezifisch erforderliche Rohrqualität ein wirt-schaftlicher Faktor. Weist z.B. bei Stahlbauteilen der IHU-Prozess sehr qualitäts- und genauigkeitssensible Parameter auf, sind ggf. höhere Ver-edelungsstufen der zumeist längsnahtgeschweißten Rohre mit dementspre-chend höheren Halbzeugkosten erforderlich.

Geometrisch angepasste Rohrhalbzeuge (tailored tubes, längsveränderli-cher Querschnitt u.Ä.), ggf. bereits vorgeformt (gebogen, querschnittsge-formt), können u.U. Lösungsansätze für IHU-Bauteilprozesse sein. Tech-nologische Konzepte müssen hier bei der wirtschaftlichen Analyse im Wechselspiel von Integrationsgewinnen, Material- und Halbzeugkosten sowie Qualitäts- und Prozesssensibilitätsgesichtspunkten gewichtet wer-den.

StückzeitenAufgrund der druckmedienspezifischen physikalischen Besonderheiten sind Hydro-Umformabläufe zumeist keine „schnellen“ Prozesse. Die stückzeitrelevanten Bestandteile in der Prozessfolge wie

− Füllen der Bauteil- bzw. Werkzeugkavität mit Wirkmedium (sowie Ent-leerung nach der Umformung),


− gesteuerter Aufbau des Wirkdrucks und abschließende gezielte Druck-entlastung im Hochdruckbereich sowie

− (zusätzlich): Aufbau der Schließ- und Zuhaltekraft (bei zumeist hydrau-lischen Pressen)

verlängern in konventionellen Hydro-Umformabläufen die Prozesszeit gegenüber bekannten konkurrierenden Prozessabläufen, wie u.a. beim Tiefziehen bzw. analogen Umformvorgängen.

Diesem systemrelevanten Nachteil der Hydro-Umformtechnologie wird in der Praxis durch folgende Maßnahmen gegengesteuert:

1. Ausnutzung von Methoden zur Prozessverkürzung (Schnellfüllsystem, spezielle Schnellverriegelungen u.a.)

2. Erzeugung von „Mehrfachteilen“, d.h. der Fertigung von mehreren Bau-teilen während eines Pressenhubs (Schließ- und Zuhaltvorgang). Be-kannt sind hier Vielfachteile als Einzelteile (wie z.B. bei T-Stücken an-gewandt) bzw. die Fertigung in mehreren Fertigungsnestern in einer Aufspannung in der Anlage (Schließeinrichtung), jedoch auch Doppel- und Mehrfachteile, die nach der Ausformung noch getrennt werden müssen.

Insbesondere die Anwendung von nach dem Hydro-Umformen noch zu trennenden Doppel-, aber auch Mehrfachteilen ist sehr typisch für Hydro-Umformkonzepte. Neben der Stückzeitverkürzung und somit Produktivi-tätssteigerung lässt sich zusätzlich meist eine Materialeinsparung aufgrund der Reduzierung erforderlicher Ankonstruktionen am Bauteil erzielen. Ein Beispiel hierfür wird in Hauptabschn. 6.3.1 dargestellt.

Anzumerken ist hier aber auch, dass die moderne Hydro-Umform-technologie erst in den 90er Jahren insbesondere durch die Steuerbarkeit der zeitrelevanten Größen Werkstofffluss und Prozessablauf und somit der Realisierung neuartiger Bauteilgeometrien an Bedeutung gewonnen hat.

Im Planungs- und Umsetzungsablauf relevant sind ebenso der Werk-zeugbau und der Hydroumform-Prototypprozess (s. Kap. 4.3).

6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems

Ein wesentliches Element der Planung bei der Hydro-Umformung ist das zum Einsatz kommende Fertigungssystem. Man kann grundsätzlich zwi-schen der Hydro-Umformanlage als Fertigungszelle und Einzelsystem und der Hydro-Umformanlage als integralem Bestandteil eines ggf. vollauto-matisierten Fertigungskonzepts unterscheiden.

6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems 269

6.2.1 Hydro-Umformanlage

Die konventionelle Hydro-Umformanlage als Einzelsystem und Ferti-gungszelle besteht aus den Komponenten

− Schließ- und Zuhalteeinrichtung, − Hydroumform-Werkzeugsystem und − Fluidsystem für das Wirkmedium.

Diese Komponenten sind vorzugsweise durch eine den Anforderungen des Hydro-Umformvorganges entsprechende Steuerung verknüpft sowie optional durch ein Handlingsystem für Beschickungs- und Entnahmevor-gänge komplettiert.

Abb. 6.1. Hydro-Umformanlage der Fa. S. DUNKES GmbH am Fraunhofer IWU

Die technische Komplexität von Hydro-Umformwerkzeugen (Abb. 6.2.) kann je nach Technologiekonzept von der einfachen geometrischen Kavität im Werkzeug mit Adaptern zur Einleitung des flüssigen Wirkmediums bis hin zu anlagenähnlichen, z.T. modularen Systemen mit integrierten An-trieben reichen, wie sie insbesondere bei der Innenhochdruck-Umformung von Rohren mit Nachschieben von Werkstoff zur Anwendung kommen.


Pressentisch

Pressenstößel

Pressengestell

Werkzeug-Rahmen Werkzeug

Axialzylinder

Gegenhalter Hochdruck-Anschluss

IHU-Werkzeug

Abb. 6.2. IHU-Werkzeugsystem

Als Schließ- und Zuhalteeinrichtung in Hydro-Umformanlagen kommen vorzugsweise hydraulische Pressen zum Einsatz. Dieser Umstand ist vor allem den hohen aufzubringenden Kräften und der Flexibilität im Kraft-Zeit-Verlauf geschuldet. Typische nominale Schließkräfte liegen derzeit im Bereich von 10 bis 100 MN.

Sonderlösungen, die insbesondere auf eine spezifische Prozessanpas-sung oder z.B. die Verringerung des erforderlichen Investitionsvolumens abzielen, sind aus Praxis und Literatur bekannt.

Hydro-Umformanlagen arbeiten überwiegend mit wasserbasierten Emulsionen als Wirkmedium. Diese Flüssigkeiten sind in einen offenen Kreislauf eingebunden, der vom zumeist ölhydraulischen Antriebssystem der Presse und der aktiven Antriebe im Hydro-Umformwerkzeug getrennt ist. Die häufig anzutreffende Unterteilung in Füll-, Niederdruck- und Hochdrucksystem erfordert entsprechende Pumpen- und ggf. Speicher-technik. Die Bereitstellung des Wirkdrucks im oberen Druckbereich er-folgt durch Druckübersetzer, die zumeist diskontinuierlich, d.h. mit einem

6.2 Planung des Hydro-Umformfertigungssystems 271

Füll- und einem Arbeitshub, arbeiten. Wesentlicher Bestandteil des Fluid-managements ist die Konditionierung des Wirkmediums. Neben der Filterung und Gewährleistung einer konstanten Konzentration von Emul-sionsbestandteilen beinhalten industrielle Fluidsysteme zumeist ebenso Einrichtungen zur Temperierung, vorzugsweise zur Kühlung des Fluids.

Hydro-Umformanlagen als Einzelsysteme sind sehr flexible Fertigungs-module, die insbesondere bei häufig wechselnden Fertigungsaufgaben zum Einsatz kommen. Durch den bzw. die Anlagenbediener werden neben Ein-lege- und Entnahmeoperationen häufig auch die Konditionierung der Halbzeuge (Befettung, Schmierung) und Fertigteile (Entleerung) sowie die Prozess- und Qualitätsüberwachung der durch viele Einflussfaktoren ge-kennzeichneten Abläufe ausgeführt.

6.2.2. Hydroumform-Fertigungssysteme

Mit der Entwicklung der Hydro-Umformtechnologie zur anerkannten Se-rientechnologie im Automobil- und Zuliefererbereich war seit Mitte der 90er Jahre auch die Entwicklung von Hydroumform-Fertigungssystemen in verschiedenen Ausbaustufen verbunden. Derartige Fertigungssysteme können im Gegensatz zu Einzelanlagen den gesamten Fertigungsablauf ei-ner Hydro-Umformkomponente vom Halbzeug bis zum Fertigteil abbil-den.

Je nach Bauteil und Automatisierungsgrad schwanken Struktur und Zu-sammensetzung einer solchen Fertigungslinie. In der Grundstruktur besteht sie i.d.R. aus Biegezelle, Vorformzelle, Umformzelle und einer Einheit zur Endenbearbeitung.

Diese Fertigungszellen werden durch Handling-Einrichtungen oder Ro-boter miteinander verkettet. Weitere Komponenten können die Halbzeug-bereitstellung, Schmiereinrichtungen und Waschanlagen sowie optional Mess- und Prüfstationen sein.

Die einzelnen Komponenten müssen bezüglich Verfügbarkeit, Zyklus-zeit und Auslastung im Fertigungssystem abgestimmt werden. Hierzu die-nen vorzugsweise auch zwischengeschaltete Pufferstationen.

Eine der ersten vollautomatischen Hydro-Umformanlagen als Ferti-gungssystem für Vorderradträger wurde im Januar 1998 bei der Adam Opel AG in Bochum in Betrieb genommen (Abb. 6.3.).


Abb. 6.3. Vollautomatisierte Hydro-Umformanlage (SCHULER HYDROFORMING GMBH & CO. KG)

6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele

6.3.1 Abgasbauteil als IHU-Doppelteil

Rohrförmige Komponenten von Abgasanlagen sind klassische Anwen-dungsbereiche für die IHU-Technologie. Abgasbauteile werden vorwie-gend aus rost- und hitzebeständigen Edelstählen hergestellt. Diese Bauteile sind gekennzeichnet durch kleinere Bauteilvolumina, haben jedoch kom-plexe, dreidimensionale Formen. Sie sind außerdem meist verzweigt mit Aushalsungen in T- oder Y-Form.

Die Formgebung erfolgt, wie in Abschn. 3.3.2.4 (Abb. 3.61.) gezeigt, meistens über die Stadien

− Biegen,− Innenhochdruck-Umformung und − Beschnitt.

Abgasbauteile als IHU-Bauteile sind i.d.R. sowohl durch eine z.T. er-hebliche freie Aufweitung im Durchmesser als auch durch zusätzliche Aushalsungen gekennzeichnet, die nur durch eine optimale Abstimmung des wirkenden Innendrucks und gezieltem Nachschieben von Werkstoff durch die Axialzylinder während des Umformvorganges ausformbar sind.

Neben Erfahrungswerten und experimentellem Tryout spielt hier die Prozessbeschreibung und -optimierung mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation eine dominante Rolle bei der Prozessauslegung.

Die rohrförmigen Bauteile erfordern zumindest im Kontaktbereich mit den axialen Dicht- und Nachschiebestempeln der Axialzylinder eine so ge-nannte Ankonstruktion an die spätere Bauteilgeometrie. Dieser Übergangs-

6.3 Prozessplanung – Planungsbeispiele 273

bereich, notwendig u.a. für das Nachschieben von Werkstoff in die kriti-schen Umformzonen und den Beschnitt nach der Umformung, bedeutet ei-nen zusätzlichen Werkstoffbedarf im Hinblick auf die Halbzeugbereitstel-lung und ist ein wesentliches Optimierungsziel in der Prozessauslegung.

Wirtschaftlich-technologische Kriterien bei der Prozessplanung von IHU-Abgasbauteilen sind neben Machbarkeit und Prozesssicherheit insbe-sondere Stückzeiten und Halbzeugkosten. Dies führt dazu, dass derartige Bauteile mittels IHU-Technologie oft als Doppel-, ggf. sogar als Mehr-fachteile gefertigt werden.

Doppelteile als IHU-Bauteile im Umformprozess werden häufig zur Er-höhung der Produktivität angestrebt. Die Frage der Teilungs- bzw. Sym-metrieebene dieser Bauteile stellt sich unter dem Aspekt der Bauteilgeo-metrie, der Materialeinsparung und Komplexität bezogen auf das zum Einsatz kommende Halbzeug, der Kraftwirkungen im Umformprozess und eines optimalen Werkstoffflusses.

Doppelteile sind typisch, wenn insbesondere das beidseitige Nachschie-ben von Werkstoff erforderlich ist. Die Auslegung als Doppelteil kann u.U. sowohl die Produktivität je IHU-Zyklus erhöhen als auch – durch Wegfall der Ankonstruktion im Mittenbereich – die Werkstoffausnutzung verbessern. Vor allem die Ausformbarkeit der bei diesen Bauteilen typi-schen Nebenformelemente (Abzweigungen) bestimmt den Handlungsbe-darf für Variantenuntersuchungen.

Dies zeigt folgendes Beispiel anhand einer einfachen Geometrie, die al-lerdings an beiden Enden unterschiedliche Durchmesser aufweisen soll und eine Y-förmige Aushalsung erfordert (s. Abb. 6.4.).

Abb. 6.4. Hydro-Umformbauteil (HYDROFORMING CHEMNITZ GMBH & CO. KG)

Das Doppelteil ist grundsätzlich zumindest in zwei Varianten ausbildbar (s. Abb. 6.5.). Die Analyse zeigt, dass in Variante 1 die Anordnung sowohl den Werkstofffluss in die Aushalsung unterstützt als auch der Über-


gangsbereich zwischen den Bauteilen optimal gestaltet ist. Variante 2 scheitert sowohl am erforderlichen Werkstofffluss in Gegenrichtung in der Aushalsung und würde ebenso eine komplexere und mehr Werkstoffein-satz erfordernde Ankonstruktion notwendig machen.

Das Beispiel zeigt ebenso die Sinnfälligkeit einer prozessorientierten Bauteilauslegung für den IHU-Prozess, die im besten Fall bereits bei der Entwicklung der Bauteilform selbst beginnen sollte.

Thickness [mm]

1,3

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

Nachschieben: 55 mm

Symmetrieebene

Symmetrieebene

Nachschieben: 50 mm

Variante 1Doppelteil ausformbar

Variante 2 Doppelteil in dieser Form nicht qualitätsgerecht aus-formbar

Abb. 6.5. Konzeptvarianten Doppelteil

6.3.2 IHU-Strukturbauteil als Space-Frame-Komponente

Die Hydro-Umformung birgt erhebliches Potenzial insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen mit komplexen Formen. Komplexe Formen er-geben sich durch Ansätze zur Erhöhung der Produktivität in der Fertigung durch Doppelteilkonzepte. Ein weiterer Ansatz ist das Bestreben zur Ver-ringerung der Bauteilanzahl am Endprodukt durch größere Form- und Funktionsintegration am Bauteil selbst.

Die Komplexität wird dabei sowohl durch häufig anzutreffende Dreidi-mensionalität der Bauteile als auch durch Nebenformelemente unterschied-lichster Art und Funktion bestimmt.

Hydro-Umformteile finden u.a. auch aufgrund dieses Potenzials bei Space-Frame-Bauweisen in Fahrzeugkonzepten Anwendung. Weitere Vor-teile liegen hier im Einsatz geschlossener Hohlprofile unter den Gesichts-punkten der Belastbarkeit und Herstellbarkeit sowie in der Integrierbarkeit


speziell ausgebildeter Nebenformelemente als Montageschnittstellen direkt in das Bauteil.

Die Entwicklung und Prozessauslegung von Space-Frame-Struktur-elementen führt häufig zu mehrstufigen Umformprozessen in der techno-logischen Stadienfolge, die Vorformen für das eigentliche Hydro-Umfor-men bilden. Einen besonderen Schwerpunkt stellt dabei die Optimierung der Bauteilvorform dar, die neben Biegeoperationen entlang der Bauteil-achse häufig auch das Vorformen im Bauteilquerschnitt beinhaltet, insbe-sondere im Hinblick auf die Einlegebedingungen.

Derartige Prozessauslegungen sind typische Aufgabenstellungen für komplexe, mehrstufige FE-Simulationen dieser Prozesse und zumeist drei-dimensionalen Bauteile. Sie beinhalten die gesamte Folge der Bauteilent-wicklung – von der Bauteil-Idee, einer verfahrensangepassten Bauteilkon-struktion, der Machbarkeitsanalyse bis hin zum Abgleich mit ersten experimentell erzeugten Prototypen im Realwerkstoff und weiter bis zu se-rienteilrelevanten Aufgabenstellungen mit einer Vielzahl technischer und wirtschaftlicher Wechselwirkungen und Einflussparametern bei der Opti-mierung.

Beispielhaft zeigt Abb. 6.6. das Ergebnis der komplexen Simulation ei-nes dreidimensionalen IHU-Space-Frame-Bauteils. Ebenso ist die Verän-derung eines ausgewählten Querschnitts in der technologischen Stadien-folge dargestellt.

Werkzeuge für

Vorform 1

Werkzeuge für

Vorform 2

IHU-Werkzeuge

für Endform

Werkstück

Werkzeuge

3D-Simulation für ein

Space-Frame-Bauteil

(Wanddickenverteilung

im Endzustand)

Bauteil

Ausgangszustand

Rohr

Vorform 1

Querschnitt 1

Vorform 2

Querschnitt 2

Zwischenform:

IHU-Werkzeuge

geschlossen

Endform

Prozesskette

Abb. 6.6. Space-Frame-Bauteil in Hydro-Umformtechnologie einschließlich Vor-formgebung


6.3.3 IHU-Bauteile als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger

Besondere Potenziale eröffnen sich bei Konzepten mit Hydro-Umform-teilen, wenn ein gesamtheitlicher Ansatz verfolgt wird. Dies soll am Bei-spiel einer Lösungsvariante für den Strukturleichtbau mit Hydro-Umform-teilen als Komponenten von Pkw-A-Säule und Dachquerträger (s. Abb. 6.7.) als Planungsbeispiel diskutiert werden. Verglichen wurden zwei Lö-sungsansätze:

− Konzept 1 mit Schalenformen aus Ziehteilen und Verstärkungselemen-ten aus Rohren

− Konzept 2 ausschließlich mit IHU-Bauteilen aus rohrförmigen und vor-geformten Halbzeugen

Typische wirtschaftliche Zielstellungen derartiger Konzeptvergleiche sind:

− die Reduzierung der Anzahl der Einzelteile und der notwendigen Füge-operationen im Zusammenbau

− die Reduzierung des Baugruppengewichts und die optimale Inte-grierbarkeit in vorhandene Bauräume, ggf. zusätzlich eine Verschlan-kung der Bauteilgesamtstruktur

− die Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Umformwerkzeuge und somit der Werkzeugkosten

Als technische Zielstellung in der Funktion dieser Baugruppe steht die Erreichung der geforderten Steifeparameter bzw. eine mögliche Steifig-keitserhöhung im Vordergrund.

Die Potenzialanalyse für die Herstellung einer solchen Baugruppe durch Hydro-Umformung beginnt mit einer Belastungsanalyse der Zielstruktur. Zusätzlich sind die Schnittstellen sowohl zur Gesamtstruktur als auch in-nerhalb der Baugruppe zur Definition optimaler Einzel-Bauteilgeometrien festzulegen und bezüglich Machbarkeit zu untersuchen.

Im ganzheitlichen Ansatz kommt auch der prozess- und bauteilspezifi-schen Werkstoffauswahl eine entscheidende Rolle als Konzeptvariable zu.

In der entwickelten IHU-Variante wird die Baugruppe durch fünf Rohr-abschnitte gebildet. Die gesamte Konzeptgestaltung sowie Bauteil- und Prozessentwicklung bis hin zur Ermittlung der zu erwartenden Eigenschaf-ten der Baugruppe im Belastungsfall erfolgte neben experimentellen Tests im Prototypbereich vorzugsweise und überwiegend durch Computer- und FEM-Simulation.

Die erzielten Ergebnisse bestätigten die Machbarkeit sowohl aus techno-logischer Sicht als auch bezüglich der erreichbaren Funktionseigenschaf-


ten. Ebenso konnten positive Aussagen zu den wirtschaftlichen Effekten getroffen werden.

Bei der Entscheidung zur Umsetzung derartiger Baugruppenkonzepte mit Hydro-Umformteilen spielen aufgrund der zumeist verfahrenstypisch notwendigen Neuinvestition weitere strategische Aspekte und insbesonde-re die Stückzahl eine entscheidende Rolle.

Konventionelle Variante

8 Ziehteile

4 Rohre

= 12 Teile

= 5 Teile

Neue IHU-Variante

Abb. 6.7. Konzeptvergleich A-SäuIe und Dachquerträger

6.3.4 Hydro-Umformteile als Komponenten flächiger Karosseriestrukturen

Auch für flächige Karosseriestrukturen existieren sowohl Konzepte als auch bereits realisierte Anwendungen mit Hydro-Umformteilen. Dies be-trifft sowohl flächige Verstärkungs- und Strukturteile, Säulen (B-Säule) als auch Dachkomponenten und Klappen (Motorhaube).

Das Umformen von ebenen Blechen bzw. Vorformen mittels flüssiger Wirkmedien hat gegenüber dem IHU von rohrförmigen Halbzeugen eine Reihe von Besonderheiten (s. Abschn. 2.4.2 und 3.2.3 sowie Kap. 3.4). Dies betrifft zuallererst die Unterscheidung in Einzel- und Doppelplatinen-Konzepte. Weiterhin die Entscheidung, ob nur abgestreckt wird oder das Potenzial von nachfließendem Werkstoff in die Bereiche der Umformung genutzt werden soll. Ebenso wesentlich für das Bauteil- und Prozesskon-zept ist die Problematik der Ankonstruktion und der Zuführung des Wirk-mediums.

Ein Planungsbeispiel, bei dem der Lösungsansatz insbesondere auf der Verwendung eines speziellen Halbzeugs aufbaut, soll nachfolgend darge-stellt werden.

Bekanntermaßen existieren verschiedene Ansätze, Blechhalbzeuge ins-besondere im Sinne des Leichtbaus belastungs- und funktionsoptimal zu


gestalten. Neben einer zweckbezogenen Werkstoffauswahl kann das geo-metrische Kriterium Blechdicke z.B. durch tailored blanks verändert wer-den. Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung von so genannten Patchwork-Blechen, bei denen gedoppelte Blechstrukturen und somit ge-zielte örtliche Veränderungen der Materialdicke mit hoher Flexibilität durch Aufbringen von zusätzlichen Blechzuschnitten auf ein Grundblech erreicht werden (Abb. 6.8.).

Patchwork-Verstärkungsblech

Fluid

Schnitt A-A

A

A

Motorhaube

Abb. 6.8. Prinzipbild Patchblech am Beispiel einer Frontklappenverstärkung

Durch derartige Maßnahmen kann eine bezüglich Gewicht und Funktion optimierte Auslegung des Bauteils bereits durch die Qualifizierung des Halbzeugs erreicht werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Hydro-Umfor-mung kann ebenso zum Tragen kommen: Die mit Fluid beaufschlagte Sei-te ist geometrieflexibel und muss nicht speziell in die Werkzeuggravur eingearbeitet werden.

In einer Konzeptstudie wurde dieser Lösungsansatz vertieft und verglei-chend für ein Innenblech einer Motorhaube weiteren möglichen Fertigungs-varianten gegenübergestellt. Die Fertigungsplanung beinhaltete sowohl die Variation des Halbzeugs (Formplatine, tailored blank und Patchblech) als auch die Umformverfahren (sowohl Tiefziehen als auch Hydro-Umformen im Einzel- sowie Doppelplatinen-Verfahren) und schloss auch die Aspekte der Fügetechnologien und Konsequenzen im Bereich Rohbau mit ein.

Abbildung 6.9. zeigt beispielhaft das Motorhauben-Innenteil im Ergeb-nis der konventionellen Prozesskette mit separat zu fertigenden Verstär-kungsteilen sowie eine alternative Variante eines Patch-Innenbleches, im Konzeptansatz durch Hydro-Umformung erzeugt.


Innenblech

Verstärkung Schloss

Einsatz

Luftführung

Konventionelle Ausführung(mit gesonderten Verstärkungsteilen)

1,3 mm ~1,2 mm

2,5 mm

Alternative Varianten(Integrales Hydro-Umformbauteil)

1 Innenblech

gepatcht bzw.

Tailored Blank(2 Blechdickenbereiche)

Abb. 6.9. Konzeptstudie Motorhauben-Innenblech durch Hydro-Umformung

Bei konstanter Masse des Innenblech-Bauteils zuzüglich einer Verbes-serung der Bauteilsteife konnte für den Ansatz „Patch-Innenblech mit Hydro-Umformung“ bereits für den mittleren Stückzahlbereich ein erheb-liches Einsparungspotenzial ermittelt werden. Die Einsparung begründet sich insbesondere durch die zu erzielende Verringerung der Anzahl der Platinen, Umformwerkzeuge und erforderlichen Fügeoperationen.

Demgegenüber war die erforderliche Investition in neue Anlagentechnik zuzüglich der bauteilbezogen prognostizierten geringen Auslastung sowie eine zu lange Zykluszeit beim Hydro-Blechumformen zu berücksichtigen. Die Konzeptstudie verdeutlicht somit auch das Erfordernis, derartige neue Fertigungskonzepte auch durch neue Organisations-, ggf. auch Finanzie-rungskonzepte ergänzen zu müssen.

7 Ausblick

Die wirkmedienbasierte Umformung, insbesondere die Hydro-Umfor-mung, ist eine „lebende“ Technologie, die vor allem in den letzten zwanzig Jahren, in denen sie sich auch zur anerkannten Technik für den Automo-bilbau qualifizierte, ihr Innovations- und Entwicklungspotenzial nachhaltig bewiesen und dabei breite Anwendung gefunden hat. Die Entwicklung ist dabei natürlicherweise durch Phasen unterschiedlicher Dynamik gekenn-zeichnet. Dem Boom der 90er Jahre bis hin zum Überschwang in den Vi-sionen und Erwartungen an diese Technologie folgte ein z.T. krisenhafte Züge annehmendes Abflauen im Marktsegment zu Beginn dieses Jahr-zehnts. Gegenwärtig ist von einer Phase der Konsolidierung auszugehen. Aktionsfelder verlagern sich, Fertiger und Anwender ordnen ihre Strukturen neu und fokussieren ihre Produktfelder; neue Märkte entwickeln sich.

Dabei sind Rahmenbedingungen und Grundsituation für diese Techno-logie zumindest konstant und bedeutsam geblieben: Aus Energie- und Umweltaspekten, mit dem Hintergrund der Ressourcenschonung, ist der funktionsgerechte Leichtbau ein konsequentes, permanentes Erfordernis aktueller und zukünftiger technischer Lösungen in nahezu allen industriel-len Bereichen. Und die Hydro-Umformung ist eine der Technologien, die bei zweckentsprechender Anwendung wirksame, Erfolg versprechende Lösungskonzepte für solche Aufgaben und Ansprüche bieten kann.

Somit steht die Hydro-Umformung heute als ausgereiftes Technologie-angebot zur Verfügung, das in seinem Innovations- und Anwendungspo-tenzial jedoch mit Sicherheit noch nicht ausgereizt ist. Neben den prinzip-bedingten Vorteilen stellt sich hier der Aspekt, dass in der Vielschichtigkeit des Umformsystems Hydro-Umformung eine ganze Rei-he von Stellgrößen und Parametern auftreten, einstellbar oder sogar regel-bar sind, als ein Vorteil für neue Entwicklungen und die noch bessere Er-füllung zukünftiger Umformaufgaben dar.

Das Technologiesegment Hydro-Umformung ist heute ein Erfolg ver-sprechendes Angebot für neue Konzepte. Im Anlagenbereich stehen er-probte Systeme unterschiedlichster Konfiguration und Ausbaustufe zur Verfügung. Im Technologie- und Werkzeugbereich kann auf gesichertes Know-how zurückgegriffen werden. Im Anwendungsbereich ist ein viel-

282 7 Ausblick

schichtiger Erfahrungsschatz vorhanden. Zusätzlich kann ein ausgereiftes und effizientes Engineering genutzt werden.

Und es gibt einen weiteren Aspekt des Angebots, das nunmehr als ein Bonus der Hydro-Umformung zu werten ist – der nicht unwichtige menschliche Faktor. Wenn zu Beginn der 90er Jahre die meisten Akteure in dieser Branche noch Newcomer waren und die speziellen Betrach-tungsweisen und Anforderungen zur wirksamen Anwendung dieser Tech-nologie unter den involvierten Personen erst intensiv kommuniziert wer-den mussten, so ist heute unser Wissen auf diesem Gebiet schon recht breit gestreut und in den Köpfen abgelegt.

Und diesem Blickwinkel will sich auch dieses Buch widmen. Neben Grundlagen sind auch vorhandenes, z.T. sehr individuelles und spezifi-sches Wissen und anwendungsorientierte Erfahrungen gesammelt und für die Nachnutzung aufbereitet worden. Dabei konnten in diesem ersten An-satz sicher nicht alle Belange umfassend integriert werden. Insbesondere vertiefende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und die wachsende Rolle der Integration von Angeboten aus dem Bereich der Virtuellen Realität bei der Lösung von Aufgabenstellungen in den Prozessketten der Hydro-Umfor-mung sind möglichen nachfolgenden Auflagen vorbehalten.

Vielleicht gelingt es so, unseren gemeinsamen Wissens- und Erfah-rungsschatz hinsichtlich dieser Technologie in seiner Entwicklung und Erweiterung kontinuierlich zu erfassen und zu dokumentieren und somit zu bewahren und nachnutzbar zu machen.

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[52] Innenhochdruck-Umformung eines Abgasteils. Forschungsunterlagen des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. (http://www.simtop.de/cgi-bin/rmcat?72990928 – 22.06.2006)

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[54] Interlaken Technology Corporation: Hydroforming Press Systems. (https://www.interlaken.com – 14.06.2006)

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[57] Khodayari, G.: Untersuchungen zum elastisch-plastischen Biegen von Stahlrohrprofilen. Siegen, Universität-Gesamthochschule, Diss., 1994

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[80] Neugebauer, R.; Klose, L.; Suchmann, P.; Bräuer, G.; Traube, K.; Bewilo-gua, K.: Optimierung von kohlenstoffbasierten Werkzeugbeschichtungen für das Innenhochdruckumformen von rostfreiem Stahl sowie Aluminium-legierungen. EFB-Forschungsbericht Nr. 159. Hannover : EFB, 2001


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[83] Neugebauer, R.; Putz, M.: Hydroforming – A Promising Lightweight Technology for Application in Automotive Industry. In : Kals, H. J. J. et al. (eds.) ; Univ. of Twente, Laboratory of Production and Design Engineering (org.): Sheet Metal 1998 (6th Int. Conference SheMet Twente 1998). Twen-te : Univ, 1998. – ISBN 90-365-111-35. pp. 81–88

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[87] Nock, M.; Geiger, M.: Flexible Spatial Forming of a Tube Using an Elas-tomere Tool. In : Neugebauer, R. (ed.) ; Fraunhofer-Institut für Werkzeug-maschinen und Umformtechnik IWU (org.): International Conference on Accuracy in Forming Technology (ICAFT Chemnitz 2003). Bd. 22. Zwi-ckau : Wiss. Scripten, 2000. – ISBN 3-928921-98-3. S. 163–178

[88] Norm DIN EN 693 : 2001. Werkzeugmaschinen – Sicherheit – Hydrauli-sche Pressen

[89] Norm DIN EN 954-1 : 1996. Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezo-gene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze

[90] Norm DIN EN ISO 6506-1 : 2006. Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Brinell

[91] Norm DIN EN ISO 6507-1 : 2006. Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Vickers

[92] Norm DIN EN ISO 6743-4 : 2001. Schmierstoffe, Industrieöle und ver-wandte Erzeugnisse (Klasse L) – Klassifizierung – Teil 4: Familie H (Hyd-raulische Systeme)

[93] Norm DIN 8583 : 2003. Fertigungsverfahren Druckumformen [94] Norm DIN 8584 : 2003. Fertigungsverfahren Zugdruckumformen [95] Norm DIN 8586 : 2003. Fertigungsverfahren Biegeumformen – Einord-

nung, Unterteilung, Begriffe [96] Norm DIN EN 10002-1 : 1990. Metallische Werkstoffe – Zugversuch –

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[97] Norm DIN EN 10233 : 1993. Metallische Werkstoffe – Rohr – Ringfaltver-such

[98] Norm DIN EN 10234 : 1993. Metallische Werkstoffe – Rohr – Aufweitver-such

[99] Norm DIN EN 10236 : 1993. Metallische Werkstoffe – Rohr – Ringauf-dornversuch

[100] Norm DIN EN 10237 : 1993. Metallische Werkstoffe – Rohr – Ringzug-versuch

[101] Norm DIN EN 10246-7 : 2005. Zerstörungsfreie Prüfung von Stahlrohren – Teil 7: Automatische Ultraschallprüfung nahtloser und geschweißter (aus-genommen unterpulvergeschweißter) Stahlrohre über den gesamten Rohr-umfang zum Nachweis von Längsfehlern

[102] Norm DIN EN 10305 : 2002. Präzisionsstahlrohre – Technische Lieferbe-dingungen. Teil 1: Nahtlose kaltgezogene Rohre; Teil 2: Geschweißte kalt-gezogene Rohre; Teil 3: Geschweißte maßgewalzte Rohre

[103] Norm DIN EN 12449 : 1999. Kupfer und Kupferlegierungen – Nahtlose Rundrohre zur allgemeinen Verwendung

[104] Norm DIN EN 12922 : 2002. Schmierstoffe, Industrieöle und verwandte Produkte (Klasse L) – Familie H (Hydraulische Systeme) – Anforderungen für die Kategorien HFAE, HFAS, HFB, HFC, HFDR und HFDU

[105] Norm DIN 19226 : 1994. Leittechnik – Regelungstechnik und Steuerungs-technik

[106] Norm DIN 20843 : 2003. Mineralölerzeugnisse und verwandte Produkte – Bestimmung des pH-Wertes schwerentflammbarer Flüssigkeiten der Kate-gorien HFAE, HFAS und HFC

[107] Norm DIN 24320 : 1986. Schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten – Gruppe HFAE; Eigenschaften; Anforderungen

[108] Norm DIN 51346 : 2003. Prüfung von schwerentflammbaren wasserhalti-gen Druckflüssigkeiten – Prüfung der Emulsionsstabilität

[109] Norm DIN EN 61131-3 : 2003. Speicherprogrammierbare Steuerungen – Programmiersprachen

[110] Novotny, S.: Innenhochdruck-Umformen von Blechen aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen bei erhöhter Temperatur. Bamberg : Meisen-bach, 2002. (Fertigungstechnik – Erlangen 137). Diss. – ISBN 3-87525-185-7

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[117] Pischel, H.: Geschichte des Massiv- und Blechumformens. Krefeld : K. Dan-nat, 1987

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[120] Prier, M.: Die Reibung als Einflussgröße im Innenhochdruck-Umform-prozess. Aachen : Shaker, 2000. (Berichte aus Produktion und Umform-technik 46). Diss. – ISBN 3-8265-7195-9

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[122] Prier, M.; Schmoeckel, D.: Tribologie des Innenhochdruck-Umformens. In : Siegert, K. (Hrsg.) ; Univ. Stuttgart, Institut für Umformtechnik (Veranst.): Hydroumformung von Rohren, Strangpreßprofilen und Blechen (Int. Kon-ferenz Hydroumformung Fellbach 1999). Bd. 1. Frankfurt : MAT-INFO Werkstoff-Informationsges., 1999. – ISBN 3-88355-284-4. S. 483–495

[123] Pulzer, J.: Grundlagen der Biegetechnik für Innenhochdruckumformung. Blech Rohre Profile 46 (1999) 6, S. 30–32

[124] Putz, M.; Steinheimer, R.: IHU-spezifische Kennwertermittlung im Real-prozess für komplexe Bauteile – Grundlagen einer alternativen Steuerungs-strategie zum IHU mittels Fuzzy-Logik. In : Univ. Darmstadt, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (Veranst.): 5. Forum Innen-hochdruck-Umformen (Darmstadt 1999). Darmstadt : Univ., 1999. Vortrag

[125] Ratjen, R.; Takamatsu, M.: Hochenergie-Umformverfahren Hydropunch. Werkstatt und Betrieb 104 (1971) 1, S. 41–44

[126] Richtlinie VDI 3146, Blatt 1 (Entwurf): Innenhochdruck-Umformen – Grundlagen. Düsseldorf : VDI, 1999.

[127] Richtlinie VDI 3146, Blatt 2 (Entwurf): Innenhochdruck-Umformen – Ma-schinen und Anlagen. Düsseldorf : VDI, 2000

[128] Rieger, R.: Lochen und Schneiden von Bauteilen mit flüssigem Druckme-dium. Frankfurt : MAT-INFO Werkstoff-Informationsges., 2002. (Beiträge zur Umformtechnik 32). Diss. – ISBN 3-88355-310-7


[129] Riehle, M.; Simmchen, E.: Grundlagen der Werkstofftechnik. 2. Aufl. Stuttgart : Dt. Verl. für Grundstoffindustrie, 2000. – ISBN 3-342-00690-0

[130] Säuberlich, T.; Markert, M.: Rohre als endteilnahe Ausgangsteile beim Innenhochdruckumformen. In : Eichhorn, A. (Hrsg.) ; Univ. Magdeburg, Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung (Veranst.): EFB-Fortbildungspraktikum 2003 : Innenhochdruckumformen von Rohren. Magdeburg : Univ. Magdeburg, 2003. S. 203–219

[131] Schäfer-Hydroforming (Hrsg.): Konstruktionsanleitung für ASE-Bauteile – Verfahren: Innenhochdruckumformung. 1996. – Firmenschrift

[132] Schiffler, R.: Sorgfältig auf Nummer Sicher. Blech 1 (1995), S. 26–28 [133] Schiffler, R.: Konsequent in Richtung Praxis. Blech 5 (1995), S. 30 [134] Schmoeckel, D.; Dick, P.; Hielscher, C.: Innovationspotential des Innen-

hochdruck-Umformens mit Biegungsüberlagerung. Blech Rohre Profile 43 (1996) ½, S. 49–52

[135] Schmoeckel, D.; Huber, R.; Hielscher, C.: Innenhochdruck-Umformen von unverschweißten Blechen. In : Siegert, K. (Hrsg.) ; Univ. Stuttgart, Institut für Umformtechnik (Veranst.): Hydroumformung von Rohren, Strangpreß-profilen und Blechen (Int. Konferenz Hydroumformung Fellbach 1999). Bd. 1. Frankfurt : MAT-INFO Werkstoff-Informationsges., 1999. – ISBN 3-88355-284-4. S. 383–401

[136] Schneider, C.-T.; Reinking, J.: Photogrammetrische Deformationsanalyse bei der Blechumformung. DGZfP-Jahrestagung (1994), S. 103–108

[137] Schnupp GmbH & Co. Hydraulik KG: Kombipresse. (http://www.schnupp.de/de/kombipresse.html – 12.06.2006)

[138] Schnupp, K.: Hydraulik in Fertigungseinrichtungen. 2. Fachtagung Fahr-zeugtechnik – Innovative Hydraulik (Dresden 2005). Vortrag

[139] Schopper, F.: Entwicklung einer IHU-Werkzeugpresse. In : Univ. Darm-stadt, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (Veranst.): 9. Forum Innenhochdruck-Umformen (Darmstadt 2003). Darmstadt : Univ., 2003. Vortrag

[140] Schuler GmbH (Hrsg.): Handbuch der Umformtechnik. Berlin : Springer, 1996. – ISBN 3-540-61099-5

[141] Schulze, B.; Bräunlich, H.; Kragtwijk, S.: Doppelplatinenumformung mit-tels Druckmedium. In : Neugebauer, R. (Hrsg.) ; Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU (Veranst.): Leichtbau durch Umformtechnik (7. Sächsische Fachtagung Umformtechnik SFU Chemnitz 2000). Bd. 10. Zwickau : Wiss. Scripten, 2000. – ISBN 3-928921-61-4. S. 199–216

[142] Schulze, B.; Werle, T.: Vorformen – Schlüsseltechnologie in der IHU-Prozessschrittkette. In : Siegert, K. (Hrsg.) ; Univ. Stuttgart, Institut für Umformtechnik (Veranst.): Hydroumformung von Rohren, Strangpreßpro-filen und Blechen (Int. Konferenz Hydroumformung Fellbach 2003). Bd. 3. Frankfurt : MAT-INFO Werkstoff-Informationsges., 2003. – ISBN 3-88355-320-4. S. 331–344


[143] Schwarz, S.; Lenze, F.-J.; Aust, M.; Schneider, S.: Innenhochdruckumfor-men von konischen Stahlprofilen im Rahmen des NSB®-Projektes. In : Siegert, K. (Hrsg.) ; Univ. Stuttgart, Institut für Umformtechnik (Veranst.): Hydroumformung von Rohren, Strangpreßprofilen und Blechen (Int. Kon-ferenz Hydroumformung Fellbach 2003). Bd. 3. Frankfurt : MAT-INFO Werkstoff-Informationsges., 2003. – ISBN 3-88355-320-4. S. 369–386

[144] Schutzrecht DE 4018360 C1 (1991) [145] Schutzrecht DE 4035625 A1 (1992) [146] Schutzrecht DE 4311978 C1 (1994) [147] Schutzrecht DE 4322063 C1 (1994) [148] Schutzrecht DE 4416147 A1 (1995) [149] Schutzrecht DE 4417460 A1 (1995) [150] Schutzrecht DE 4427140 C1 (1995) [151] Schutzrecht DE 10201047 B4 (2005) [152] Schutzrecht DE 10253382 B4 (2006) [153] Schutzrecht DE 19506067 C1 (1996) [154] Schutzrecht DE 19535870 C2 (2002) [155] Schutzrecht DE 19905124 C1 (2000) [156] Schutzrecht US 4973358 (1990) [157] Schutzrecht WO 9101387 (1991) [158] Seifert, M.: Metallgeschäumte Innenhochdruck-Umformteile für den Ka-

rosserieleichtbau – Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung. In : Auto-mobil Circle International (Veranst.): Zielvorgabe 2005 – Die noch leichte-re Stahl-Karosserie (Europäische Jahreskonferenz Bad Nauheim 2000). Vortrag

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Symbole

Symbol Einheit Erläuterung A %

m² (cm²; mm²) Bruchdehnung Kolbenfläche; Kontaktfläche

a m (mm) Abstand zwischen Niederhalter und Matrize

A1 m² (cm²; mm²) Primärfläche A2 m² (cm²; mm²) Sekundärfläche A5 % Bruchdehnung

(Probestab l0/d0 = 5) A80 % Bruchdehnung

(Ausgangsmesslänge 80 mm) Agl % Gleichmaßdehnung AK m² (cm²; mm²) Kolbenfläche eines Hydrozylinders AK ges_DK m² (cm²; mm²) summarische Kolbenfläche des Druck-

kissens AK ges_HZ m² (cm²; mm²) summarische Kolbenfläche der Haupt-

zylinder AK ges_SZ m² (cm²; mm²) summarische Kolbenfläche der

Schließzylinder ALochung m² (cm²; mm²) Fläche der Lochung/des Ausschnittes Anach m² (cm²; mm²) Stirnfläche des Nachschiebestempels Aproj m² (cm²; mm²) projizierte Fläche Aproj Boden m² (cm²; mm²) projizierte Fläche der Gravur Aproj Flansch m² (cm²; mm²) projizierte Fläche des Flansches AR m² (cm²; mm²) Ringfläche eines Hydrozylinders AR ges_HZ m² (cm²; mm²) summarische Ringfläche der Haupt-

zylinder Areib m² (cm²; mm²) wirksame Kontaktfläche Astirn m² (cm²; mm²) Stirnfläche des Axialstempels/

Dichtstempels B m (mm) Werkzeugeinsatz-Seitendicke b m (mm) Gravurbreite D m (mm) Durchmesser; Rohraußendurchmesser D0 m (mm) Ausgangsdurchmesser; Rohrausgangs-

durchmesser E GPa

(1GPa = 1000N/mm²) Elastizitätsmodul

298 Symbole

EWerkzeug GPa Elastizitätsmodul des Werkzeugwerk-stoffes

F N (kN; MN) Kraft Faxial N (kN; MN) Axialkraft Fdicht N (kN; MN) Dichtkraft Fdurchsetz N (kN; MN) Durchsetzkraft Fgegen N (kN; MN) Gegenhaltekraft Fnach N (kN; MN) Nachschiebekraft FNiederhalter N (kN; MN) Niederhalterkraft Föff N (kN; MN) Werkzeugöffnungskraft FPinole N (kN; MN) Pinolenkraft Fradial N (kN; MN) Radialkraft Freib N (kN; MN) Reibkraft Fschließ N (kN; MN) Schließkraft Fschließ max N (kN; MN) maximale Schließkraft Fstat.Gl.gewicht Boden N (kN; MN) Gleichgewichtskraft aus Gravurfläche

mal Innendruck Fstat.Gl.gewicht Flansch N (kN; MN) Gleichgewichtskraft aus Flanschfläche

mal Innendruck FStempel N (kN; MN) Stempelkraft FStößel N (kN; MN) Stößelkraft Fstülp N (kN; MN) Stülpkraft Fumform N (kN; MN) Umformkraft Fumform axial N (kN; MN) Umformkraft in axialer Richtung Fvorform N (kN; MN) Vorformkraft Fvorform max N (kN; MN) maximale Vorformkraft H -

m (mm) Verhältnis Innenradius/Wanddicke Werkzeugeinsatz-Bodendicke

h m (mm) Gravurtiefe HF MHz Hochfrequenz HRC - Härte nach Rockwell

(mit Diamantkegel) kf Pa (MPa)

(1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²)

Umformfestigkeit

l m (mm) Schnittkantenlänge; Knicklänge; Stütz-länge

n - Verfestigungsexponent p Pa

(1Pa = 1N/m²) in der Literatur übliche Einheit: bar (1bar = 105 Pa = 0,1N/mm²)

Druck

p1 Pa (bar) Primärdruck p2 Pa (bar) Sekundärdruck

Symbolverzeichnis 299

pa Pa (bar) Außendruck pberst Pa (bar) Berstdruck pi Pa (bar) Innendruck pi max Pa (bar) maximaler Innendruck; Kalibrierdruck pi variabel Pa (bar) variabler Innendruck pi zul Pa (bar) zulässiger Innendruck pK Pa (bar) Druck auf der Kolbenseite eines Hyd-

rozylinders pK max_DK Pa (bar) maximaler Druck auf der Kolbenseite

des Druckkissens pK max_HZ Pa (bar) maximaler Druck auf der Kolbenseite

der Hauptzylinder pK max_SZ Pa (bar) maximaler Druck auf der Kolbenseite

der Schließzylinder Q m³/s (l/min) Volumenstrom QP m³/s (l/min) Volumenstrom der Hauptpumpe QP max m³/s (l/min) maximaler Volumenstrom der Haupt-

pumpe QR m³/s (l/min) ringseitiger Volumenstrom eines Hyd-

rozylinders QR ges_HZ m³/s (l/min) summarischer ringseitiger Volumen-

strom der Hauptzylinder beim Öffnen des Werkzeuges

R m (mm) Biegeradius; Krümmungsradius Re Pa (MPa)

(1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²))

Streckgrenze

Rm Pa (MPa) Zugfestigkeit r -

m (mm) Anisotropiewert Innenradius eines Bauteiles; Rohrradius

rBoden m (mm) Bodenradius rBoden min m (mm) kleinster Bodenradius reck m (mm) Eckradius (in Ausschnitten) reck min m (mm) kleinster Eckradius (in Ausschnitten) rmin m (mm) kleinster Innenradius eines Bauteiles s m (mm) Blechdicke; Wanddicke; Weg s0 m (mm) Ausgangsblechdicke; Ausgangswand-

dickes1 m (mm) Blechdicke; Wanddicke nach der Um-

formung sAusdünnung % Ausdünnung saxial m (mm) Axialstempelweg se m (mm) Einzugweg se Ist m (mm) Ist-Einzugweg se Soll m (mm) Soll-Einzugweg

300 Symbole

sgegen m (mm) Gegenhaltestempelweg t s Zeit V m³ (dm³; l) Volumen VK m³ (dm³; l) kolbenseitiges Volumen des Hauptzy-

linders bei geschlossenem Werkzeug v m/s (mm/s) Geschwindigkeit vöffnen m/s (mm/s) Werkzeugöffnungsgeschwindigkeit vöffnen max m/s (mm/s) maximale Werkzeugöffnungsge-

schwindigkeit Y m (mm) Werkzeugeinsatzbreite Z m (mm) Ziehtiefe; Werkzeugeinsatzhöhe β 1/Pa

-

Kompressibilitätsfaktor des Hydraulik-öls Ziehverhältnis

s0 m (mm) Differenz zwischen minimaler und ma-ximaler Ausgangsblechdicke

ε % Dehnung ϑ °C Temperatur µ - Reibwert σ Pa (MPa)

(1Pa = 1N/m²; 1MPa = 1N/mm²)

Normalspannung

σf Pa (MPa) Fließspannung σr Pa (MPa) Radialspannung σt Pa (MPa) Tangentialspannung τ Pa (MPa) Schubspannung τh Pa (MPa) Schubspannung unter hydrostatischen

Reibbedingungen τm Pa (MPa) Schubspannung an der metallischen

Kontaktfläche τs Pa (MPa) Schubspannung im dünnen Schmier-

film ϕ - Umformgrad ϕ1 - Hauptumformgrad ϕn - Umformgrad in Normalrichtung ϕr - Umformgrad (radial) ϕt - Umformgrad (tangential)

Stichwortverzeichnis

3D-CAD-Volumenmodell 188 3D-Freiformbiegen 70 3D-Koordinaten 152 3D-Oberflächenform 152

A/D-Wandler 157 ABAQUS 142, 143 Abdichten 20, 64, 65, 73, 74, 91,

104, 134, 174, 176, 179, 181, 199, 206, 232 Abdichtkante 130 Abdichtsystem 69

Abformgenauigkeit 41, 44, 45, 148 Abgasteil 84 Ablaufdiagramm 204, 205 Ablaufsteuerung 248, 259 Abrasion 164 Abrollstreckbiegen 68

räumliches 68 Abscheiden von flüssigen

Verunreinigungen 240 Abschneiden 129 Abstimmplatte 164, 165, 167, 197 Abstrecken 45, 98 Aktive Hydromec-Verfahren 108 Aktivteil 163, 164, 166, 169

Segmente 164 Aluminium 47, 121

Legierung 47, 49, 50, 119, 121, 190

Andocken 53, 54, 88, 179, 237 Andocksystem 131, 135, 172, 232

für Hydro-Umformwerkzeuge bei der Umformung von Rohren und Profilen 173

für Hydro-Umformwerkzeuge beim Umformen von Blechen 176

im Flanschbereich 180 mit aufgesetztem

Anschlussstutzen 179 mit eingelegtem Anschlussstutzen

178 mit Einlaufkanal 177 mit Ringkanal 178 mittels beweglicher Lanze 180 mittels Spaltmeißel 178 über eine Zwischenplatte 179

Anlage zur Aufbereitung des Wirkmediums 231

Anlagentechnik 279 Anschlussstutzen 178, 179 Anstauchen 65 Antriebsstrang 35 Anwendungspotenzial 9 Arbeitsdiagramm 80 Arbeitsdruck 41 Aufbereitungsanlage 234 Aufdicken 45, 200 Aufdickung 88, 113 Aufweiten 45, 54, 73, 96, 138, 151,

154, 183 Aufweitverhältnis 43 Aufweitzone 29

Aufweitung 43, 73, 75, 183 Ausbeulen 78 Ausdünnung 21, 91, 110, 112, 113 Ausgangsform 170 Ausknicken 23, 66, 69, 82, 199 Auslastung 271, 279 Auslegung 184

Bauteil 137, 274, 278

302 Stichwortverzeichnis

Blechumformprozesse 142 Hauptantrieb 216 hydraulische Komponenten 217 Hydro-Umformmaschine 206 Hydro-Umformwerkzeug 184 IHU-Werkzeug 168 tribologisches System 72 Werkzeug 21, 168, 213 Werkzeugteilung 170 Ziehteilkontur 117

Ausschnitte 101 Außenhochdruck-

Blechumformprozess 133 Außenhochdruck-Blechumformung

2, 15 Außenhochdruck-Umformung 106,

132, 252 mit Innendorn 76 Rohre und Profile 76

Auswerteeinheit 157 AutoForm 142, 144 Automatisierungsgrad 271 Automobilbau 35 Automotive-Bereich 2, 4, 10, 12 Axialachse 206, 243 Axialkraft 19, 66, 80, 82, 244 Axialstempel 15, 20, 64, 72, 78, 81,

200 Axialzylinder 78, 172, 206, 244

Bajonettverriegelung 221 Baugruppenkonzept 277 Bauteil 33, 38

Anzahl 274 Auslegung 278 Auswahl 266 Bauteilnetz 187 Design 33 Endeigenschaft 44 flächiges 59 Geometrie 33 Gestaltung 39, 267 Symmetrie 187

Bauteilvorformung integrale 65 lokale 65

Beanspruchung 164 Befüllen 77, 97, 204, 232 Belastung 181

Belastungssystem 181 Berechnungsmethode 184 Bersten 21, 24, 41, 154, 155 Beschickungsvorgang 269 Beschneiden 102, 129, 135 Biegen 15, 65, 130

Biegelinie 170, 172 Biegeumformung 66, 74 Biegezelle 271

Bildauswertung 152 Blech

Blechdicke 60, 278 Umformsimulation 142 Zuschnitt 47, 59, 267, 278

Blindniet 135 Blockverriegelung 221 Bodenradius 101, 110 Bogen-an/in-Bogen-System 70 Bohren 191 Bohrschruppen 191 bonded blank 94 Bruchdehnung 41, 47, 48, 154 B-Säule 95, 108, 110, 171

CAD-Daten 191 CAD-Flächendaten 39 CAD-Solldaten 156

Computer Supported Cooperative Work (CSCW) 147

Dehnung 117 Dekompression 217, 226, 232 Dichten 99 Dichthilfsmittel 97 Dichtkante 130 Dichtstempel 73, 74, 199, 245 Dichtsystem 173, 206, 235 Diffusionsschicht 189 Dimensionierung 163, 184, 185,

199 Antriebe 252 Axialzylinder 244, 250 Druckkissen 228

Stichwortverzeichnis 303

Druckübersetzer 235 kraftschlüssige

Zuhalteeinrichtung 219 Stößel 216 Werkzeugeinbauräume 213

Dom 29, 42, 78, 90, 139 Höhe 29, 42

Doppelplatine 34, 59, 93, 103, 130, 177 hydraulisches Tiefen 105 Hydroumformung 97, 134 lokal verschweißt 61 Umformung 16, 93, 104, 112,

177 Verarbeitung 60, 176, 200 verschweißt 60

Doppelteil 84, 112 Double-Ram-Press 229 Druckachse 206

Innendruckachse 230 Druckaufbaukurve 199, 200 Druckaufbauzeit 218 Druckaufnehmer 157 Druckbeständigkeit 29, 30 Druckerzeuger 19, 105, 234 Druckkissen 221, 225, 226

Dimensionierung 228 Druckregelung 232, 238 Druckspannung 16, 20, 72

axial 7 tangential 25, 26 Überlagerung 21, 72, 154

Druckstromerzeuger 231, 234 Drucktransmitter 157 Druckübersetzer 19, 78, 206, 231,

232, 235 Druckverlust 201 Druckwassersystem 4

Einfachplatine Umformung 16

Eingriffsbreite 191, 193, 195, 196 Einheit zur Endenbearbeitung 271 Einlaufkanal 177 Einlaufradius 98, 106 Einsatz 190

Einsätze 163 Einschnüren 24 Einschrittverfahren 142, 144 Einspeisepumpe 239 Einzelmaschine 203 Einzelplatine 59, 91, 104

Umformung 93 Einzelsystem 268 Einziehen 65 elastisch-plastisches

Materialverhalten 142 Elastizitätsmodul 100 Elastomerelement 133 Elastomerkissen 133 Emulsion 17, 29, 270

Öl-in-Wasser 16, 17, 104 Wasser 234, 240, 241

Endausformung 62 Energieabsorption 123 engineered blank 94 Entnahmevorgang 269 Explosivumformung 5 Extensometer 150

Fahrwerk 35 Fahrzeugbau 35 Falten 21, 22, 26

Bildung 22, 26, 110, 117, 154, 251

Bildungsgefahr 160, 171 FastForm 142, 144 Fehler 153

Analyse 153 beim IHB 155 beim IHU 154 Erkennung 151 Fehlermöglichkeiten-

Einflussanalyse 153 Fertigungsfehler 199 geometrische 246 Oberflächenfehler 152 Porenfehler 152 Schweißnahtfehler 152 Vermeidung 141, 145

Feinfilter 239 FEM


Modellierung 187 Programm 142, 143, 145, 186,

188 Prozesssimulation 108 Simulation 38, 39, 84, 112, 141,

158 Umformsimulation 186, 188

Fertigteil Genauigkeit 148 Geometrie 65

Fertigung Fertigungsaufgabe 271 Fertigungsbeispiele 265 Fertigungskonzept 265 Fertigungsmodul 271 Fertigungsnest 268 Fertigungssystem 2 Fertigungsungenauigkeit 103 Fertigungszelle 268, 271

Festigkeit 41, 47, 48, 61, 165 Filtration von Feststoffen 240 Finanzierungskonzept 279 Finite-Elemente

Methode 141, 186 Simulation 168

Flächennetz 186 Flächenpressung 98, 102, 103, 175,

180, 188, 211 Flächensegment 187 Flansch 98, 103, 104, 176

Bereich 25, 45, 98, 103, 113, 130, 134, 177, 180

Breite 98, 104 Ebene 111 Einzug 112, 156

Fließspannung 5, 99 Fließweg 65 Flugzeugbau 50 Fluidaufbereitung 239 Flüssigkeit 5 Formabweichung 149 Formänderung 16, 21, 41, 43, 72,

91, 103, 104, 106, 108, 119, 164, 200 Formänderungsverteilung 41, 46 Formänderungszustand 38

Formänderungsverteilung 105, 149 Formeinsätze 148, 163, 166, 185 Formfüllungsgrad 65 Formgenauigkeit 92, 118, 133 Formhaltigkeit 149 Formkasten 167 Formliniengenauigkeit 148 formschlüssige Zuhaltung mit Hilfe

mechanischer Verriegelung 213 Formstempel 92 Frames 229 Fräsen 191 freie Zyklusprogrammierung 261 Fügen 94, 134 Führungsgröße 159, 256 Füllphase 130 Füllposition 238, 248 Füllpumpe 238, 245 Füllsystem 16, 206, 237, 238, 270 Füllventil 216 Funktionsintegration 36, 166, 274 Funktionsoptimierung 44 Funktionsteil 163 Fuzzy-Logic 159

Gas 5 Gebrauchswerteigenschaft 44, 47,

90Gefüge 46, 123 Gegenhalterkraft 82 Genauigkeitsbewertung 147 Gesenkformen 65 Gesetz von Pascal 234 Gleichmaßdehnung 21, 47, 151 granulierter Feststoff 5 Gravur 111 Gravurtiefe 185, 192 Grenzformänderungsdiagramm

(FLD) 47 Grenzformspannungsdiagramm

(FLSD) 47 Grenzwert 157 Grundbeölung 54 Grundblech 57, 61, 94, 95, 278 Grundblock 163 Grundwerkzeug 201


Guss 166 Gutteilfenster 80

Halbzeug 33, 40, 60, 62 Bereitstellung 271 Einsatz 46 Flachhalbzeug 59 Geometrie 65 Kosten 166, 267 Prüfung 151

Handling-Einrichtung 271 Handlingsystem 269 Härte 151, 164, 165, 169, 189 Hauptform 64, 65 Hauptformgebungsprozess 71, 96,

133 Hauptfunktionen einer Maschine zur

Hydro-Umformung 204 Hauptpumpe 218 Hauptumformung 55 Hauptzylinder 216, 218 HexaBend 70 HFA-Flüssigkeit 17, 104, 231, 239 Hinterschneidung 139 Hochbehälter 216, 225, 226 Hochdruck-Blechumformung 1, 15 Hochdruckflüssigkeit 98 Hochdruckleitung 105 Hochdruckmedium 30, 120, 139,

173 Hubzahl 209 Hydro-Blechumformung 2, 51, 90,

176, 251 Hydroclinchen 138 Hydromec-Verfahren 107 Hydropumpe 19, 234 Hydrostanznieten 138 Hydrostatik 5 hydrostatische Kraftübertragung 4 Hydro-Umformprozess 19, 119,

265 Integration 265

Hydro-Umformung 1 Dichtsysteme 173 Planung 268 thermisch 118

von Blechen 30, 59, 96, 160, 198, 200

von Rohren 48, 160 von Rohren und Profilen 64, 198

Hydro-Umformwerkzeug 58, 165, 184, 190, 269 Einarbeitung 198 Inbetriebnahme 198

Hydroumform-Werkzeugsystem 269

ICEM-STAMP 142, 144 IHB-Prozess 94, 97, 201 IHB-Werkzeug 111, 117 IHU-Bauteil 33, 84 IHU-Strukturbauteil 89 INDEED 142, 144 Industrie-PC 157, 257, 259 Innendruck 38, 78, 80, 103 Innendruckachse 256, 259, 261 Innenhochdruck-Aufweiten 73 Innenhochdruck-Aufweitstauchen

72Innenhochdruck-Biegen 74 Innenhochdruck-Blechumformen

24, 108, 130, 206 Innenhochdruck-

Blechumformprozess 94, 97 Innenhochdruck-Blechumformung

15, 63, 96, 116, 177 Innenhochdruck-Durchsetzen 75 Innenhochdruck-Kalibrieren 74 Innenhochdruck-Lochen 126 Innenhochdruck-Umformen 2, 15,

71, 158 Innenhochdruck-Umformung 1, 64,

84, 149, 206 Instabilität 91 Investitionsvolumen 270 Isofläche 147 ISO-PUNCH 142, 144 Ist-Prozessdaten 156 ITAS3D 142

Kalibrierdruck 19, 74, 81 Kalibrieren 16, 20, 74, 78, 81, 98


Kalibrierphase 130, 149 Kaltaushärten 51 Karosserie 36 kathodische Tauchlackierung 96 Kennwert 151

Ermittlung 151 kinematische Gestalterzeugung 69 Kleben 58, 96 Klebschicht 95 Klimabranche 48 Knicken 23, 41, 54, 80, 154 Knicklänge 41, 43 Konsolen-Bauweise 246 Kontaktdruckverteilung 183 Kontaktfläche 27, 103, 169 Kontaktkraft 187 Kontaktnormalspannung 28 Kontaktzone 28 Konturteilung 117 Konzentrat 241 Konzeptstudie 278 Konzeptvergleich 276 Kopfstück 215, 220 Korrosion 54 Korrosionsbeständigkeit 50 Kraftmessdose 150 Kraftstoffbehälter 115 Krümmen 71 Krümmungsradius 43 Kühler 240 Kupfer 48, 52

Längenmessung 150 Lanze 180 Laserschweißen 54, 56, 61, 95, 134 Lasertechnik 153 Laser-Triangulation 160 Leckage 18, 104, 127, 201, 254 Lichtschnittverfahren 152 Lieferzustand 49 Lochen 99, 126 Lochungen 101 Lösungsglühen 50 LS-DYNA 142, 143, 144 Machbarkeitsanalyse 39, 102, 112,

266

Magnesium 119 Legierung 51, 118

MARC 142 Marktpotenzial 11 Maschinenbau 50, 125 Maßabweichung 148, 165 Masseverteilung 64 Maßgenauigkeit 92, 118, 133, 149 Maßhaltigkeit 148, 149, 202 Maßtoleranz 149 Maßvorgabe 148 Masterkurve 160 Material

Anhäufung 64 Einsparung 267 Kosten 267 Reserve 102 Reservetasche 102 Stau 113

Matrize 71, 91, 93, 106, 131 elastisch 69 Schneidmatrize 127, 128 Ziehmatrize 106

mechanische Eigenschaften 46 Medienaufbereitung 234 Medientrennung 235 Medium 172 mehrachsige Regler-Baugruppe 258 Mehrfach Anordnungen 229 Mehrfachkurventechnik 70 Mehrfachteil 268, 273 Mehrpunktziehtechnik 45, 102 Messing 48, 86

Legierung 52 Messmaschine 153 Messort 155 Messposition 153 Messpunktdichte 153 Messschrieb 183 Messstation 271 Messsystem 153 Messtechnik 150 Messverfahren 152, 153, 156 Metallschaum 121

Anwendungspotenziale im Automobilbau 124


Herstellung 122 in Hydro-Umformteilen 121

Mikroorganismen 242 Mindestquerschnitt 186 Mindestwanddicke 38 Mischreibung 27 Monoblock 167 Monoblockbauweise 163 Montageschnittstelle 275 Motion-Control-Steuerung 259 Motorhaube 62, 96, 120 Motorrad 63, 115 Multi-Frame-Architekturen 229

Nachrüstbausatz 218 Nachschiebebereich 28, 42, 72,

164, 200 Nachschiebekraft 172, 184 Nachschieben 16, 66, 74, 78, 83,

156, 206, 248 axiales 41, 43, 90, 154, 165 von Werkstoff 20, 21, 22, 72, 73,

76, 164, 243, 266 Nebenform 64 Nebenformelement 33, 42, 62, 84,

131, 172, 243 Niederhalter 93, 102, 251 Niederhalterkraft 102, 160 Nockenwelle

gebaute IHU-Nockenwelle 88, 137

Leichtbau-Nockenwelle 89 Non-Automotive-Bereich 2, 12 numerische Modellierung 138

Oberfläche 38, 150, 153, 202 Oberflächenform 153 Oberflächenkontur 153 Oberflächenqualität 38, 190 Oberflächentopographie 27 Oberflächenvergrößerung 28, 104 offene NC-Steuerung 259 OPTRIS 142 Ovalisierung 67

P/I-Regler 160

PAM-CRASH 143 PAM-STAMP 86, 142, 144 parallelkinematischer Antrieb 70 Parameter 207

geometrische 185 handlingbezogene 209 maschinennahe 209 Produktivitätsparameter 209 werkzeugnahe 208

Patch 58 Patchblech 57, 61, 95 Patch-Struktur 58 Patchwork-Struktur 46, 61, 94 Patchwork-Technik 57, 60 Personalkosten 267 Photogrammetrie 152 pH-Wert 19, 241 Pinolenkraft 160, 254 Planung von Hydro-

Umformprozessen 265 Planungsbeispiel 276 Plastifizierung 68, 91, 149, 178,

266 plastische Anfangsanisotropie 142 Platine 26, 59, 171, 177, 251

gefügt 59, 94 Platinenpaar 105 Platinenzuschnitt 104, 110 Polymerschmelze 19 Postprocessing 145, 147 Powerwall 146 Prägefeld 110 Präzisionsstahlrohr 48 Presse

hydraulische 149, 214, 270 Prinzip des Innenhochdruck-

Umformens 15 Produktivität 84, 273 Produktqualität 155 Profil 21, 52, 198

gefügt 56 Profilbiegen 69 Profil-Programmierung 261 Programmsysteme 142 Projektabwicklung 39


projizierte Fläche 20, 83, 100, 208, 211

PRONTO 143 Prototyp 275 Prototypbereich 276 Prozess

Analyse 266 Anpassung 270 Auslegung 68, 142, 265, 272,

275 Beschreibung 272 Fehler 158 Fenster 80, 149 Gestaltung 33 Monitoring 152, 155 Optimierung 141, 272 Parameter 80, 97, 99, 103, 149 Parametersteuerung 149 Prozessgröße 99, 157 Regelsystem 158 Regelung 159 Sicherheit 273 Simulation 141 Steuerung 45, 159 Verkürzung 268 Zeit 137, 268

Prozesskette 2, 64, 278 Auslegung 64

Prozesslösung 84, 108 Prüfgeschwindigkeit 152 Prüfsicherheit 152 Prüfstation 271 Prüftechnik 150 Prüfverfahren 150 Pufferstation 271 pulvermetallurgische Verfahren 123

Qualität 148 Qualitätsbewertung 152 Qualitätsmanagement 153 Qualitätsmerkmal 150 Qualitätsschwankung 149 Qualitätssicherung 147, 153, 156 Querschnitt 43 Querschnittsänderung 55 Querschnittsdeformation 67

Querschnittsformen 65 Querschnittsgenauigkeit 148 Querschnittsunterschied 54 Querschnittsvorbildung 64

Radialachse 243 Radialzylinder 172 Radien 41, 45, 47, 101, 129

Biegeradien 67, 70, 153 Raster 152 Rauheit 150 Regelabweichung 160 Regelkraft 160 Regelstrecke 158, 160 Regelung 256

ablösende 256 Druckregelung 256 Kraftregelung 256 Lageregelung 256

Reibkraft 189 Reibpartner 27 Reißer 22 Relativbewegung 97 Reproduzierbarkeit 148 Restformänderungsvermögen 148 Ringkanal 178 Roboter 271 Rohr 21, 52, 198

abgesetzt 55 Doppelwandrohr 52 gefügt 56 konisch 54 kreisrund 33

Rohrabschnitt 57, 58 Rohrlänge 40 Rohrstück 52, 88 Rohrverarbeitung 47 Rohrverbindungsstück 52 Rohteilschruppen 192 rotatorisches Pressbiegen 66 rotatorisches Zugbiegen 66 Rückfederung 67, 131, 145 Rückförderung 234 Rückzugsgeschwindigkeit 209 Rundhämmern 46 Rundkneten 46, 55


Rundschmieden 55

Sanitärbereich 52 Sanitärbranche 48 Schadensanalyse 153 Scharnierverstärkung 112 Schichten 190 Schieber 190 Schließebene 113, 172 Schließgeschwindigkeit 209, 216,

225 Schließhub 209 Schließkraft 19, 20, 24, 83, 99, 100,

103, 185, 211 Aufbau 217, 226

Schließkraftverlauf 217 Schließposition 221 Schließzylinder 221, 225, 228

Dimensionierung 228 schmelzmetallurgische Verfahren

122 Schmiereinrichtung 271 Schmiermittel 27, 104, 189 Schmierung 54, 104, 241 Schmierwirkung 30 Schmutzaufnahmekapazität 240 Schneiden 126, 129 Schneidring 127, 128 Schneidstempel 127 Schnittkantenlänge 101 Schnitttiefe 192 Schub-Umformung 75 Schwachstellenanalyse 188 Schweißen 135 Schweißnaht 62, 151 Schwenkbiegen 66 Schwenkbiegevariante 66 Seitenständer 216, 221 Sensor 153, 157, 160, 248

Druck 155 Kraftsensor 155, 249 Signal 157 Signalverarbeitung 157 Tiefensensor 157

Sensorik 155 Seriencharakter 265

Serienteil 275 Sicherheitsfaktor 184 Sicherheitsschaltung 217, 226 Sicken 65, 111

Versteifungssicken 113 SIMEX2 142, 144 Simultaneous Engineering 39 SNAKE-Prinzip 168 Sollkurve 158 Sonderlösung 270 Space-Frame 89, 121, 124 Space-Frame-Bauweise 274 Spaltmeißel 178 Spannungsüberlagerung 47, 72 Spannungsverteilung 188

Axialspannungsverteilung 139 Vergleichsspannungsverteilung

188 Stadienfolge 90, 275 Stadienplanung 39 Stahl 48, 164

Baustahl 48 Edelstahl 41, 48, 86

Standmenge 164 statischer Druck 18 Steifigkeit 46, 61, 123

Beulsteifigkeit 91 Stempelfläche 173 Steuergröße 159 Steuerung

Ablaufsteuerung 255 für Maschinen der Hydro-

Umformung 255 Konzept 159, 266 Pressensteuerung 255 Prozessparameter 266 Sicherheitssteuerung 256 speicherprogrammierbare - (SPS)

257 Steuerungsarchitektur 257

Störgröße 159 Störung

systematische 155 zufällige 155

Stößel 216, 221 Blechhalterstößel 251


verriegelt 219 Strangpressen 71 Strangpressprofil 52, 86 Streckbiegen 68 Streckformen 65 Strukturrohr 77 Stückzahl 265 Stückzeiten 267 Stützdruck 75 Symmetrieebene 84, 273

tailored blank 46, 60, 278 tailored tube 46, 56 tailored welded blank 94 tailored welded tube 56, 94 Tangentialstreckbiegen 68 technische Machbarkeit 265 Technologiekette 265 Teilungsebene 26, 169, 197, 211 Temperierungsanlage 120 T-Fitting 48 Theorie der Plastizität 142 Tiefen

hydraulisch 92, 104, 131, 133 mechanisch 104, 131

Tiefziehen 130 aktives hydromechanisches

(aktives Hydromec) 91, 108 hydraulisches 91, 106, 108 hydromechanisches 5, 7, 106,

133, 209 Tiefziehteil 63 Tisch 215, 220

Durchbiegung 209 Fläche 208

Toleranz 53, 148 der Platinendicke 98 Maßtoleranz 74 Toleranzbereich 53

Tracer-Darstellung 147 Transportwesen 50 Trendanalyse 157 Trennebene 126, 140, 179, 201 Trennfläche 54 Tribologie 27, 98, 104 Trockenschmierstoff 29, 197

Tryout 83, 197 tubular blank 94 Turn-Key-Lösung 2 Tuschieren 198 Tuschierpaste 200

Übergabehöhe 209 Übergangszone 28 Überwachungssystem 155

Ultraschall 152 Umformeignung 46 Umformgrenzen

Erweiterung 118 Verschiebung 16

Umformrichtung 91 Umformstufen 62, 141 Umformung 71

plastische 18, 91, 133 thermische 52

Umformvermögen 47, 55, 97, 118, 151

Umformwege 47 Umformzelle 271 Umformzone 28, 72, 96, 111, 273

Variantenuntersuchung 84, 273 Vektorfeld 147 Verbindung

formschlüssig 139 kraftschlüssig 139

Verfahren ohne Vorloch 135 Verfahrensintegration 126, 134 Verfahrensparameter 23, 149 Verfahrensprinzip Innenhochdruck-

Umformung 16 Verfahrensspezifik

Hydro-Umformung 40 Innenhochdruck-Umformung 15

Verfahrensvarianten 65, 71, 104 Verfestigung 55

Kaltverfestigung 47, 148 Verfestigungsmechanismen 142 Verfestigungsverhalten 47 Verfestigungszustand 38 Vorverfestigung 47


Work-Hardening-Effekt 47 Verfügbarkeit 266, 271 verkettete Maschine 203 Verriegelungsantrieb 221 Verriegelungsmechanismus 221 Versagenserscheinungen 141 Versagensfall

Bersten 21, 158 Bildung von Falten 21 Knicken 21 Reißen 98

Versagensgrenze 21, 40, 47 Versagenskurve 160 Versatz 198 Verstärkungsblech 94 Verteilerbalken 86 Vielfachteil 268 Viertel-Modell 187 Virtuelle Realität (VR) 145 Visualisierung

der Prozessparameter 157 Prozessvisualisierung 263 von Berechnungsergebnissen 145

Visualisierungs- und Bediensystem 256, 260

Volumennetz 188 Vorbiegen 47, 62, 171 Vorbiegeoperation 47 Vorform 24, 26, 30, 63, 64 Vorformen 64, 90 Vorformgebung 24, 45, 70, 130 Vorformgeometrie 23, 64, 65 Vorformkraft 209 Vorformoperation 22, 40, 47, 64,

145, 212 Vorformprozess 216, 225 Vorformtechnologie 55 Vorformung 55, 65, 93 Vorformzelle 271 Vorfüllpumpe 232, 237 Vorfüllsystem 231, 237 Vorschubgeschwindigkeit 192

Wandaufdickung 64, 78 partiell 65

Wanddicke 45, 53

Abnahme 29 Reduzierung 97, 117 Toleranz 149 Veränderung 46 Verteilung 65, 87 Zunahme 29

Wärmebehandlung 50, 164, 168, 201 Verfahren 168 Zustand 50

Waschanlage 271 Wasseraufbereitung 206 Wasserkasten 91, 108 Wegaufnehmer 157 Wegsignal 160 Wehrtechnik 50 Weichglühen 50 Welle 48 Wendeschneidplattenform 192 Werkstoff

Ausnutzung 273 Auswahl 52, 276 Bedarf 273 Eigenschaft 148, 168 Kennwert 150 Versagen 64 Werkstoffe für die Hydro-

Umformung 46 Werkstofffluss 22, 24, 42, 45, 97,

111 Zusammenhalt 102

Werkstofffluss 92 Werkzeug

Aktivteilfläche 39 Aktivteil-Segmentierung 117 Dichtfläche 92, 97 Einbauhöhe 208, 221 Einfahren 198 entriegeln 226 Füllvolumen 208 Geometrie 192, 196 Gravur 25, 65, 96, 163, 190 Grundkörper 148, 164, 190 Innendruck 208, 210 Konzept 163, 266 Lebensdauer 202, 211


Oberteil 200 öffnen 217, 226 Öffnungskraft 208, 211 schließen 216, 225 Segmentierung 163, 187, 201 Teilung 170 Tragverhalten 198 Unterteil 200 verriegeln 226 Verschleiß 30 Werkstoffe 165 Werkzeugbau 50 Werkzeugnetz 187

Werkzeug- und Anlagenkosten 267 Werkzeugerprobung 197 Werkzeugprüfung 196 Wertschöpfung 267 Wirbelstrom 152

Prüfung 152 wirkmedienbasierte

Blechumformung 8 Wirkmedium 17, 106, 128, 159,

245, 270 erwärmtes 119 flüssig 96, 104, 106

Wirtschaftlichkeitsanalyse 267 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 267 Wölbstrukturen 76 Workbench 146

Zähigkeit 164, 168 Zarge 26, 103, 130

Zargenbereich 101, 132

Zeitfenster Handling 209 Zentrumsschneide 192 Ziehkissen 253

Vielpunkt-Ziehkissen 253 Ziehring 251 Ziehverhältnis 24, 104 Zuganker-Bauweise 246 Zug-Druck-Umformung 72 Zugfestigkeit 99 Zugspannung 58, 68, 72, 73, 78,

117, 200 Zug-Umformung 73 Zuhalteeinrichtung 206, 210, 212

doppeltwirkend 251, 252 doppeltwirkend formschlüssig

252 einfachwirkend 253 formschlüssig 219, 252 Gestaltungsvarianten 213 kraftschlüssig 214, 251 Schließeinheit 209

Zuhaltekraft 101, 209 Zuhaltung

kraftschlüssig 213 Zusatzkonzentrat 18 Zuschnitt 40, 144 Zuschnittsplatine 200 Zwischenform 62 Zwischenglühen 47 Zwischenplatte 179 Zwischenschicht 27 Zykluszeit 209, 229, 237, 271, 279

hydro-umformung

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