Development of an Incremental Tool Concept on the Basis of Rotating Tools for Sheet Metal Forming
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens war es, ein inkrementelles Verfahren zur Umformung von Blechhalbzeugen zu entwickeln, bei dem die kinetische Energie rotierender Schlagkörper durch das Aufschlagen auf einer Blechoberfläche in plastische Umformung gewandelt wird. Als Folge hiervon verbleibt ein leicht gekrümmtes Blechbauteil. Im 1. Förderzeitraum standen systematische Untersuchungen zur Entwicklung von Werkzeugen, sowie die Erarbeitung von grundlegendem Prozessverständnis im Blickpunkt. Es wurden drei verschiedene Umformwerkzeuge erarbeitet. Diese wiesen unterschiedliche Varianten der Verbindung von der Rotationsnabe zu den Schlagkörpern auf. Sie zeichneten sich daher durch ein werkzeugspezifisches Indentierungsprofil aus. Der konstruierte Versuchsstand erlaubte die Bearbeitung von Blechproben, bei denen sich in Abhängigkeit von den untersuchten Parametern Drehzahl und Indentierungstiefe eine Bauteilkrümmung ausbildet. So wurden werkzeugspezifisch bereits industrierelevante Krümmungen bis maximal κ=1,47 m^-1 an Blechstreifen hergestellt. Die Untersuchungen zur Pfadstrategie und des Bedeckungsgrads konnten aufgrund der eingeschränkten Verfahrweise und -geschwindigkeit des Versuchsaufbaus nicht vorgenommen werden, sodass der Einsatz eines flexiblen Werkzeugführungssystems notwendig wurde. In der 2. Förderperiode wurde der Fokus zunächst auf den Aufbau des industrierobotergestützten Versuchsaufbaus gerichtet, um bspw. durch eine definierte Vorschubgeschwindigkeit und eine abhängig von der Bauteilkrümmung definiert konstant gehaltene Indentierungstiefe einen à priori bestimmten Bedeckungsgrad einstellen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass der Industrieroboter – ausgelegt für niedrige Traglasten – die Werkzeugführung vornehmen kann. Durch eine idealisiert-analytische Betrachtung des Indentierungsprofils konnten Kenngrößen definiert werden, die den Bearbeitungszustand, ähnlich wie der Bedeckungsgrad beim Kugelstrahlumformen, charakterisieren. Diese Kenngrößen ermöglichen eine definierte Einstellung der Umformparameter. Es zeigte sich, dass die Pfadstrategie – ähnlich wie beim Kugelstrahlumformen – Einfluss auf die sich inkrementell ausbildende Bauteilkrümmung nimmt. So war die Krümmung bei mäanderförmigen Pfaden dann besonders groß, wenn die Bearbeitung parallel zur kürzeren Werkstückachse erfolgte und die Trajektorienebene senkrecht zur Vorschubrichtung ausgerichtet war. Hier wurden drehzahlabhängig Krümmungen von bis zu 1,35 m^-1 (Radius 0,74 m) erreicht. Eine Anstellung der Trajektorienebene resultiert demgegenüber im untersuchten Bereich von 15° bis 45° in auf etwa die Hälfte reduzierten Krümmungen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die vom Kugelstrahlumformen bekannte elastische Vorspannung der Bleche auch beim Rotary Peen Forming zu größeren Krümmungen führt (hier: 1,38 m-^1 bis 2,1 m^-1). Durch die Vorspannung konnte zusätzlich die Prozessdauer deutlich verkürzt werden, da die eingebrachte Umformenergie bevorzugt zum Abbau der Biegespannungen und damit in Richtung der beabsichtigten Krümmung wirksam wird. Des Weiteren wurden größere, gekrümmte Blechhalbzeuge mit den gewonnenen Erkenntnissen hergestellt. Dementsprechend ist das Verfahren grundsätzlich geeignet, anwendungsrelevante Bauteilgeometrien herzustellen, wobei neben einachsigen Krümmungen auch die Herstellung eines mehrachsig gekrümmten Bauteils erfolgreich erprobt wurde. Auch wenn demnach mit diesen Arbeiten die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen wurde, bleiben im Hinblick auf eine industrielle Nutzung noch grundlegende Fragen offen. Diese betreffen insbesondere Methoden zur gezielten Einstellung vorgegebener Bauteilgeometrien durch eine Kombination aus Vorspannung und maßgeschneiderten Bearbeitungspfaden. Für die Herstellung mehrachsig gekrümmter Bauteile wäre die Integration einer externen Rotationsachse für die Blecheinspannung sinnvoll, und im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sollten die Werkzeugkonzepte weiter verbessert und Strahlstrategien mit möglichst geringem Bedeckungsgrad erprobt werden.
Publications
- The Development of a new Peen Forming Process – Rotary Peen Forming, Proceedings of the 10th International Conference on Technology of Plasticity (ICTP), 2011
M. Bambach, C. Russig, G. Hirt, J. Allwood
- A new tool concept for rotary peen forming with defined impact positions, Key Engineering Materials, Vols. 504-506, 2012
C. Russig, M. Bambach, G. Hirt
- Experimental investigations of different tool concepts for Rotary Peen Forming, Key Engineering Materials, Vol. 549, 2013
C. Russig, M. Bambach, G. Hirt
- Recent Investigations on Shot Peen Forming of GLARE Sheets and Rotary Peen Forming, Proceedings of the 12th International Conference on Shot Peen Forming ICSP, 2014
C. Russig, M. Gottschalk, M. Bambach, G. Hirt
- Robot Controlled Rotary Peen Forming by Laser-Assisted Distance Control, Key Engineering Materials, Vol. 651-653, 2015
M. Gottschalk, M. Bambach, G. Hirt
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.651-653.1084)
