Roll Bending of Thin Sheet Metal Parts on Press Brakes

Roll Bending of Thin Sheet Metal Parts on Press Brakes E. v. Finckenstein (I), F. Haase, M. Kleiner, G. Reil, R. Schilling, H.Sulaiman, Universitat Dortmund/Germany Received on January 15,1993

Summary Increasing the flexibility of the sheet metal forming technology is the aim of various research projects. A special tool system for roll bending thin sheet metal parts on conventional press brakes is presented in this article. Furthermore a finite element simulation (FEM) provides more information which is necessary for an additional optimizing of this tool. Key Words

Roll Bending, Tools, Flexibility, Finite-Element-Method, Sheet Metal

Einleitung Die Forschungsarbeiten im Bereich der Umformtechnik konzentrierten sich in den letzten Jahren auf die Erhohung der Flexibilitat der Umformverfahren. Als Beispiel dafur sind die umfangreichen Werkzeug- und Verfahrensentwicklungen zu nennen, die darauf abzielen, daB mit nur einem Werkzeug unterschiedliche Produktpaletten gefertigt werden konnen bzw. ein Bauteil durch Einsatz moglichst weniger Fertigungsverfahren komplett hergestellt werden kann. Fur das Gesenkbiegen wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogmmms "Flexible Umformtechnik ein Werkzeugsystem rnit variabler Gesenkweite (Bild l), die zugleich eine zusatzliche, steuerbare NC-Achse darstellt, entwickelt Ill. Auf die Verstelleinheit des Werkzeugtragersystems konnen verschiedene Werkzeugaufsiitze fiir das Freibiegen von Blechen montiert werden, wie z.B. fur das konventionelle Freibiegen im Gesenk und das Biegen mit drehbaren Gesenkelementen.

Eine weitere Moglichkeit zur Erhohung der Flexibilitat der Umformwerkzeuge ist der Einsatz von elastischen Kunststoffen (Polyurethan-Elastomere). Dieses Prinzip wird bereits seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt, wie zum Beispiel beim Gesenkbiegen mit elastischer Matrize [5,61 oder beim Tiefziehen mit nachgiebigem Kissen nach DIN 8584 [7]. Dabei wird das Werkstuck mit Hilfe eines starren Oberwerkzeugs in ein elastisches Kissen gedriickt. Bei dem hier vorgestellten Zweiwalzen-Rundbiegeverfahren wird ebenfalls ein elastisches Material als Werkzeug verwendet. Im Gegensatz zum Tiehiehen oder Gesenkb'iegen wird anstelle des Stempels eine starre Wake und anstelle der elastischen Matrize eine Walze mit elastischem ijberzug eingesetzt (Bild 2).

Einzelheit 2

Schnitt A-A

Bild 1: Werkzeugsystem mit verschiedenen Aufsatzen Auch fiir das Umformverfahren Tiefziehen wurde ein Werkzeug mit flexibel einstellbarem Stempel und Matrize im Rahmen des 0.8. DFG-Schwerpunktprogramms "FlexibleUmform technik entwickelt [2],mit denen verschiedene Werkzeuggeometrien realisiert werden konnen. Vergleichbare Entwicklungen erfolgten fur das Profilbiegen in Form eines flexiblen Biegekerns 141.

Annals of the CIRP Vol. 42/1/1993

Bild 2

Einsab einer Zweiwalzen-Rundbiegevorrichtungin einer CNC-Gesenkbiegepresse

295

Neben dem Biegen von Blechen kann das Zweiwalzenprinzip mit Elastomerunterwalze auch zum Profilieren, Pragen und Scherschneiden genutzt werden (Bild 3) 181.

Drehmoment Anpreekraft der Walzen Biegeradius Oberualzendurchmesser

n

a) Biegen

b) Profilierung

c) Pregen

d)

Blechdicke Eindringtiefe des Bleches in den Kunststoffaberzug Unterualzendurchmesser OberzugsdicKe

Scherschneiaen

Bild 3: Einsabgebiete des Zweiwalzen-Rundbiegeverfahrens Die Vorteile dieser Verfahrensvariante gegeniiber dern konventionelLen Walzrunden auf 3- oder 4-Walzenmaschinen sind unter anderem: hohe Produktivitat, da ein Werkstiick in einem Durchgang gefertigt werden kann, gute Forrn- und MaBgenauigkeit, Rundheit iiber den ganzen Umfang, ein Anrunden ist in der Regel nicht erforderlich, die Moglichkeit zum Runden perforierter Bleche. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Einsatz unterschiedlicher elastischer Kunststoffe. Neben der VerschleiEfestigkeit und der Schmiermittelbestandigkei t kann sich die Kunststoffwalze aufgrund ihres elastischen Verhaltens an die Umformeigenschaften der zu verarbeitenden Blechwerkstoffe anpassen. Die benotigte Umformarbeit verteilt sich iiber die Kontaktflache zwischen Werkstiick und Werkzeug. Durch eine optimierte Druckverteilung werden solche Verfahrensvarianten bevorzugt fiir das Urnformen oberflachenveredelter Feinbleche eingesetzt, wie z.B. fur die Herstellung von Leuchtenreflektoren, BeGItern, Gehauseteilen etc..

Bild 4

Verfahrensprinzip des Zweiwalzen-Rundbiegens

Das Zweiwalzen-Rundbiegeverfahrenwurde theoretisch bislang nur sehr wenig untersuchl. Zakirov [8] hat aufgrund seiner experimentellen Untersuchungen f i r das Zweiwalzen-Rundbiegen zwei Prinzipien unterschieden: die freie und die formgebundene Biegeurnformung. Dieformgrbwiulrne Biegeumformung (Bild 5b) unterscheidet sich von der freien Biegeumformung (Bild 5a) durch ihre ausgepragte Kontaktflache zwischen Werkstiick und starrer Oberwalze. Auf der Basis dieser Betrachtung wurden theoretische Berechnungsansake aufgestellt. Diese gelten unter der Annahme, daB sich im gesamten Bereich der Umformzone eine kreisbogenformige Beriihrung zwischen dem Elastomeriiberzug und dem Werkstiick ausbildet. a) f r e i e

Biegeumformung

II) f ormgebundene

Biegeumformung

Das besondere Merkmal der hier vorgestellten Verfahrensvariante besteht in dem Einsatz des Zweiwalzen-Rundbiegewerkzeugs als Zusatzwerkzeug fiir eine CNC-Gesenkbiegepresse [91. Dies ermoglicht die Fertigung eines Werkstiicks durch kombiniertes Gesenk- und Rundbiegen auf einer Maschine in einem Durchgang, ohne Zwischenlagerung der Werkstiicke zwischen den einzelnen Biegevorgangen [lo]. Die Integration des Werkzeugs in die Gesenkbiegepresse setzt genaue Kenntnisse uber den Umformvorgang voraus. Dies beinhaltet sowohl die Einfliisse der ProzeBparameter auf das Biegeergebnis als auch die Ausbildung der Umformzone wahrend des Biegens, die die Grundlage f i r die Realisierung einer rechnergestiitzten Fertigung bilden.

Bild 5

Unterschiedliche Ausbildung der Umformzone [8]

Weitere wichtige EinfluBparameter bei diesem Umformverfahren sind der Walzendurchmesser, die Harte der verwendeten Elastomere,

Das Verfahren Zweiwalzen-Rundbiegen Das Prinzip des ZweiwaIzen-Rundbiegens ist schematisch in Bild 4 dargestellt. Das Werkstuck wird im Walzspalt durch eine Drehbewegung der Walzen umgeformt, wobei das Biegemoment durch die elastische Verformung der Unterwalze aufgebracht wird. Aufgrund der sehr kurzen wirksamen Hebelarme und der erforderlichen hohen AnpreUkrafte wird dieses Verfahren insbesondere fiir die Umformung von Feinblechen eingesetzt.

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die Eindringtiefe des Werkstiicks in den Elastomeriiberzug, die AnpreBkmft der Wake sowie die Dicke des Elastomeriiberzugs.

Zur Analyse des Umformvorgangs und der 0.g. EinfluBpammeter werden am Lehrstuhl fur Umformende Fertigungsverfahren der Universitat Dortmund experirnentelle Untersuchungen sowie begleitende FEM-Berechnungen durchgefiihrt.

Experimentelle Untersuchungen

FEM-Berechnungen

Fur die Untersuchungen wird ein Versuchswerkzeug mit einer Nutzlange von 500 mm verwendet. Die starre Oberwalze hat einen Durchmesser von 80 mm, die Unterwalze einen Durchmesser von 100 mm. Zudem ist die Untenvalze mit einer 30 mm dicken Elastomerschicht ummantelt, wobei fur die Versuchsreihen drei Elastomerharten ( 6 0 , B O und 90 Shore A) zur Verfugung stehen. Neben der Elastomerharte werden die Parameter

Zur Analyse von Umformvorgangen gewinnt die Finite-ElementeMethode (FEM) zunehmend an Bedeutung. a e r Parameter-Studien unter Variation beispielsweise der ProzeBparameter oder der Elastomer-Eigenschaften laat sich eine Optimierung des Prozesses erzielen. Fur die Im folgenden beschriebene Analyse wurde das nichtlineare Finite-Elemente-System MARC eingesetzt.

Eindringtiefe,

WerkstOtk

AnpreBkraft und

W e r k s t o f f : F e P 0 4 [St 14031 Blechdicke: so 2mm Blechlange: 1 -94rnm

-

BlechwerkstoffeFe P04, AlMg 3, X 5CrNi 18 9, CuZn 37, SF Cu untersucht. Einige Ergebnisse dieser Untersuchungen sind exemplarisch in den Bildern 6 und 7 dargestellt. Bild 6 zeigt den Verlauf

iuert:

I

3.6

II

.I

\ I

E

3.2

\

2.8

I

--

Elastomerharte: 80 Shore A Blechdicke so 1mm Blschbrelte b 100mm I o---*X5CrNiIB 9 .-------A A1 Hg 3

.

i

'c

I

i

.r(

u

p = 0. 15

0 4

4 d

2.4

L 0

c

z 2.0

I

I

'V I

I

I

._

'-. I

I

I

I -

Bild 8

indie ersten numerischen Studien 1111verwendete In Bild 8 ist das f Modell dargestellt. Hierbei besteht das Werkzeug aus einem Walzenpaar, das auf der einen Seite als starr und auf der anderen als hypoelastisch (Elastomer-Schicht) beschrieben wird. Zur Modellierung des Elastomewerhaltens dient das relativ einfache NeoHookesche Materialgesetz. Das Werkstuck, ein Blech aus Fe PO4 (Stl403), wird in spezielle Elemente, die die Biegeeigenschaften beriicksichtigen (sog. "Assumed Strain Formulation"), unterteilt. Fruhere Untersuchungen 1121 veranschaulichen die Bedeutung der Diskretisierungsart, 2.B. Elementtyp und Diskretisierungsgrad, f i r die Gute der Simulationsrechnungen. Eine Steigerung dieser Cute IaBt sich dernnach uber eine feinere Elernentunterteilung des Bleches in Dickenrichtung erzielen, wobei sich die notwendigen Rechenzeiten jedoch erheblich vergrogern.

Y

C Ti

G

FE-Modell des Zweiwalzen-Rundbiegens

10

U

Y (0

f

0.

6

c

a 4

2

Bild 7

'

40

I

I

I

60

eo

100

I

120 WerkstDckradius i n mm

I 140

I 160

AnpreBkmft-Radien-Verlauf beim Zweiwalzen-Rundbiegen

Der EinfluB der AnpreBkmft auf den erzielbaren Werkstuckradius ist in Bild 7 dargestellt. Aufgmnd der Fedenvirkung des Elastomers steigt die AnpreSkraft bei zunehmender Eindringtiefe der Oberwalze in den Elastomeriiberzug der Unterwalze. Schon bei geringen Blechdicken (so = 1 mm) bzw. -breiten (b = 100 mm) werden zum Fertigen von Werkstucken mit kleinen Radien, abhangig vom verwendeten Blechwerkstoff, relativ hohe AnpreBkrafte benotigt. Die aufzubringende Anprellkraft ist somit eine der EinfluBgroBen zur Beurteilung der Verfahrensgrenzen beim Zweiwalzen-Rundbiegen.

Bild 9: Vergleichspannungsverteilungim Blech und im Elastomer bei einer Eindringtiefe von 3 mm

In der ersten Phase des Zweiwalzen-Rundbiegeprozesseswird die starre Oberwalze zugestellt. Sie druckt dabei das Blech in die Elastomerlage der Unterwalze. Die Analyse dieses ProzeSabschnittes stand zunachst im Vordergrund der Betrachtungen. Bild 9 zeigt die berechneten Vergleichsspannungen im Blech und Elastomer. Das Spannungsmaximum im Elastomer in Hohe von ca. 8 N/mm2 befindet sich -wie erwartet- unterhalb der Walzenoberflache. Das Blech weist demgegenuber zwei Spannungsmaxima, rechts und links der Symmetrieachse, auf. Da nach dem Biegen das Blech im Scheitelbereich gegenuber der Oberwalze eine grogere Kriimmung aufweist, legt es sich an zwei Stellen an die Oberwalze an. Dies fiihrt zu den bereits angesprochenen Spannungsmaxima in Hohe von 186 N/mm’ bei einer Eindringtiefe von 3 mm.

Blech

Oberwalze

I

Eindringtiefe:

1. 2 mm

Randschicht des Elastomerfiberzuges

Bild 1 2 Darstellung der Blechknotenkrafte zu zwei verschiedenen Biegestadien

Bild 1 0 Vergleicnsspannungsverteilungnach v. ,Wises im Blech Bild 10 verdeutlicht anhand eines Bildausschnittes die Vergleichsspannungsverteilung im Blech. Deutlich zu erkennen ist das lokale Spannungsminima an der Symmetrieachse und die Maxima rechts und links davon. Betrachtet man die sogenannten Umfangsspannungen im Blech, so werden zwei typische Biegespannungszonen gem2B Bild 11 mit betragsmagig maximalen Druckspannungen oben und Zugspannungen unten erkennbar, die mit den 0.a. und durch Bild 12 verdeutlichten zwei Kontaktstellen zwischen Oberwalze und Werkstiick ortlich ubereinstimmen.

merwalze und dem Blech wirkt eine gleichmaBigeDruckverteilung, welche zum Rand hin leicht abfallt. Die Aufweitung dieser Last in viele Einzelkrafte und deren Schwankungen sind eine Folge des diskretisierten FE-Modells. Eine Eindringtiefe der Oberwalze von 1,2 mm (Bild 12, oben) bewirkt eine Abflachung der Elastomerwalze im Kontaktbereich. Das Blech wird in diesem Stadium nur rein elastisch gekhmmt, und die durch die Oberwalze induzierte Kraft wirkt im Bereich der Symmetrieachse. Mit erhohter Eindringtiefe und Blechkriimmung bilden sich dann zwischen Oberwalze und Blech zwei Lasteinleitungsstellen aus, deren Abstand sich mit zunehmender Eindringtiefe vergroisert (Bild 12, unten). Die zukunftigen Analysen sollen sich dem weiteren RundbiegeprozeB einschlieBlich Werkstucktransport widmen. Hierbei sol1 zunachst das vorgestellte Model1 im wesentlichen zugrunde gelegt werden. Allerdings ist dabei auf eine moglichst genaue Beschreibung der Reibung zwischen Werkstiick und Werkzeug zu achten, um den weiteren ProzeSablauf erfolgversprechend simulieren zu konnen.

Steuerung des Umformprozesses Auf der Grundlage der in den experimentellen und theoretischen Untersuchungen ermittelten Abhangigkeiten zwischen der Eindringtiefe bzw. der AnpreBkraft und dem erzielbaren Werkstiickradius kann fiir die Fertigung eines Werkstuckes, unter Vorgabe des Sollradius, der Blechdicke und dem Werkstoff, ein entsprechendes CNC-Programm erstellt werden.

Bild 11: Verteilung der Normalspannungen in Umfangsrichtung Bild 12 verdeutlicht die auf das Werkstuck wirkenden Krafte fiir zwei Eindringtiefen. Die Linge der Krafhektoren ist dabei proportional zur wirkenden Knotenkraft dargestellt. Zwischen der Elasto-

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Bei den handelsublichen Zweiwalzen-Rundbiegemaschinen werden unterschiedliche Werkstuckgeometrien durch Anderung der Umformzonengeometrie, wie beispielsweise mittels sogenannter Richtzylinder, die auf die starre Oberwalze geschoben werden, oder durch das Eingrenzen des Werkstuckfreiraumes in der Austrittsebene, erzeugt.

Eine andere Moglichkeit zur Fertigung unterschiedlicher Werkstiickgeometrien besteht in der Variation der Eindringtiefe der starren Obenvalze. Die Verdrangung des Elastomers bewirkt eine Druckverteilung auf das Blech entlang der Beriihrungslinie zwischen dem Blech und dem Kunststoff, die von dem Durchmesser und der Hdrte des venvendeten Elastomers abhangt. Da die AnpreBkraft hauptsachlich von der Druckverteilung abhangt, wird auch sie von der Eindringtiefe beeinfldt. Infolgedessen besteht, wie bereits anhand der Bilder 10 his 12 erlautert, ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe des Bleches in den Kunststoffuberzug, der AnpreBkraft und dem erzeugten Biegemoment.

Industrie-PC (Zusatzsteuerungl

Sol l w e r t

(Stempel)

Synchronisation

Fur die Beeinflussung des Prozesses wird im folgenden die Eindringtiefe gewahlt, da das hier vorgestellte Werkzeug als Zusatzwerkzeug f i r eine weggesteuerte Gesenkbiegepresse eingesetzt wird. Durch die Variation der Eindringtiefe oder der AnpreBkraft kann eine groatmogliche Flexibilitat des Verfahrens im Rahmen einer ProzeBsteuerung bzw. -regelung erreicht werden [8,13,14]. Die Realisierung der ProzeBsteuerung bzw. -regelung setzt bei der oben beschriebenen Versuchsanordnung die Kombination einer zur CNC-Gesenkbiegepresse gehorenden CNC-Steuerung mit einer individuell programmierbaren Zusatzsteuerung voraus. Diese Zusatzsteuerung besteht im wesentlichen aus einem Industrie-PC mit dem Betriebssystem Windows 3.1 und integrierten digitalen und analogen Ein/Ausgabeschnittstellen fur den ProzeB. Hierbei dienen die digitalen Signale der Synchronisa tion beider Steuerungssysteme. Wurde eine bestimmte, vorher einprogrammierte Eindringtiefe der Oberwalze in das Elastomer erreicht, ubergibt die CNC-Steuerung die ProzeBkontrolle zur weiteren Fertigung an die Zusatzsteuerung. Die CNC-Daten, die aufgrund von Simulationen oder empirischen Betrachtungen ermittelt worden sind, steuern im weiteren sowohl den Blecheinzug (X-Achse) als auch eine weitere definierte Zustellung des PreBbalkens (Y-Achse), womit eine Variation der Eindringtiefe des Halbzeugs in die elastomerbeschichtete Unterwalze einhergeht. Bild 13 zeigt die Ankopplung beider Systeme zu einer Fertigungs-

einheit. Die Positioniergenauigkeit beider NC-Achsen betragt 10 pm. Technologische Untersuchungen haben gezeigt, daB besonders bei Werkstoffen mit einem niedrigen Verfestigungsexponent die Intervalle zur Fertigung unterschiedlicher Werkstuckradien sehr klein werden. Hieraus resultiert die Forderung nach einer sehr hoch auflosenden Y-Achse gepaart mit einem hochwertigen Positioniermodul der CNC-Steuerung. Eine Erhohung der Flexibilitat fur dieses Umformverfahren bietet der Einsatz einer ProzeSregelung, die folgende ProzeGgroBen gezielt beeinflussen SOU: die Eindringtiefe des Halbzeugs in die Elastomerwalze, die AnprelZkraft der Obenvalze und die Einzugsgeschwindigkeit des Werkstiicks. Hierdurch ist eine weitgehende ProzeBautomatisierung, unabhangig von Chargenschwankungen eines Blechwerkstoffes, gewahrleistet. Auf dem Gebiet der Regelungstechnik gibt es verschiedene Moglichkeiten, einen ProzeB gezielt zu beeinflussen. Die meisten Verfahren setzen eine genaue Kenntnis des Umformprozesses voraus oder die Moglichkeit, die Regelstrecke meBtechnisch identifizieren zu konnen. Bei den umformenden Fertigungsverfahren bestehen solche Moglichkeiten im allgemeinen nicht. Man ist nach wie vor auf das Erfahrungswissen erfahrener Maschinenbediener angewiesen. Da

Bild 13: Ankopplung der Zusatzsteuerung an die CNC-Gesenkbie gesteuerung diese Werker ihr Wissen nur qualitativ beschreiben konnen, ist die rechentechnische Verarbeitung eines solchen Wissenspotentials nur sehr schwer zu realisieren.

Als eine Moglichkeit hat sich in den letzten Jahren die Beschreibung solcher Vorgange mit Hilfe der Theorie von unscharfen Mengen erwiesen. Diese Theorie, die qualitativ vorhandenes Wissen verarbeitet und nach zwischengeschalteten Inferenzmechanismen eindeu tige Aussagen der StellgroBen liefert, wurde von Zadeh an der University of California in Los Angeles 1965 entwickelt [17]. Speziell die Umformprozesse, die nicht exakt beschrieben werden konnen, lassen sich mit diesem Entwicklungswerkzeug sehr gut automatisieren [131.

Zusammenfassung und Ausblick Zahlreiche neuere Verfahrens- und Werkzeugentwicklungen in der Umformtechnik zielten auf eine Erhohung der Flexibilitat ab. Die hier dargestellte Losung nutzt erstens die Venvendung von Elastcmerwerkzeugen, wie z.B. das vorgestellte Sonderverfahren zum Zweiwalzen-Rundbiegen und zweitens eine neue Zusatzsteuerung fLir die CNC-Gesenkbiegepresse. Bei diesem Verfahren besteht im Gegensatz zum konventionellen Walzrunden die Moglichkeit, ein Werkstiick in einem Durchgang bei hoher Genauigkeit zu fertigen. Das Zweiwalzen-Rundbiegewerkzeugwird hier als Zusa tzwerkzeug fiir eine CNC-Gesenkbiegepresse eingesetzt. Dazu wurde die vorhandene Steuerung um eine Zusatzsteuerung erweitert. Die Fertigung verschiedener Werkstuckgeometrien erfolgt durch Variation der Eindringtiefe der starren Obenvalze in den Elastomeriiberzug der Untenvalze.

Zur Analyse des Lmformvorgangs wurden die Zusammenhange zwischen den einzelnen EinfluBparametern und dem Biegeergebnis sowohl theoretisch mit Hilfe der FE-I-Berechnungen als auch experimentell ermittclt. Auf dieser Grundlage konnen die CNC-Programme f i r die Fertigung unterschiedlicher Werkstiickgeometrie erstellt werden. Zur Erhohung der Form- und MaBgenauigkeit der gefertigten Werkstucke wurde eine Regelstrategie auf Basis der Theorie unscharfer Mengen konzipiert. Somit ist eine Basis fur eine flexible, rechnergestutzte Fertigung geschaffen worden.

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