DE102006014093A1

DE102006014093A1 - Verfahren und Biegevorrichtung zum Biegen von flächigen metallischen Werkstücken

Info

Publication number: DE102006014093A1
Application number: DE102006014093A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kleiner
Original assignee: Kleiner, Matthias, Prof. Dr.-Ing.
Current assignee: Trumpf Maschinen Austria GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-09-27
Also published as: WO2007109819A1; EP2001615B1; ATE453464T1; DE502007002488D1; US20110036136A1; EP2001615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Biegen von flächigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Stahlblechen, durch freies Bieten über Kanten entlang einer Biegelinie mit geradliniger Werkzeugbewegung, wobei die Biegekanten parallel zur Blechlängsrichtung angeordnet sind und die Werkzeugbewegung entlang der Blechbreite erfolgt, gekennzeichnet durch die Schritte Einsenken eines Stempels zwischen die Biegekanten eines Gesenks, Halten des Stempels bei der tiefsten Stelle der Biegung, Aufbringung einer Druckspannung zur Kompensation der Spannungen in der durch das Biegen erzeugten Umformzone und inkrementelle Überlagerung der Zugspannung durch eine Druckspannung, die entlang der Biegelinie in Richtung der Blechbreite des gebogenen Werkstücks erfolgt, wobei das die Druckspannung erzeugende Werkzeug entlang der Biegelinie in Richtung der Blechbreite bewegt wird. Bei der Biegevorrichtung ist zwischen den Gesenksätzen unterhalb des Stempels ein in Richtung der Biegeachse (also in der Blechbreite) verfahrbarer Schlitten mit einer in der Stempelachse wirkenden Andruckwalze angeordnet, die eine Nut in der Schnittebene mit der Stempelachse aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegen von flächigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Stahlblechen, durch freies Biegen, auch Freibiegen oder Luftbiegen genannt, über Kanten entlang einer Biegelinie mit geradliniger Werkzeugbewegung.
Die Umformung erfolgt erfindungsgemäß durch

a) Einsenken eines Biegestempels zwischen die Biegekanten eines Gesenks
b) Halten des Biegestempels bei der tiefsten Stelle der Biegung
c) Aufbringung einer Druckspannung zur Überlagerung der Zugspannung in der Umformzone
d) Inkrementelle Überlagerung der Zugspannung in der Umformzone durch eine Druckspannung entlang der Biegelinie des zu biegenden Werkstücks.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorhergehenden Absatz, bestehend aus einem Gesenk mit zwei parallelliegenden Gesenksätzen zur Aufnahme der Biegekanten und einem oberhalb des Gesenks angeordneten Biegestempel, wobei die Gesenksätze zur Einstellung unterschiedlicher Gesenkweiten auswechselbar sind und unterhalb des Biegestempels ein in Richtung der Biegelinie verfahrbarer Werkzeugschlitten mit einer gegen das zu biegenden Werkstück gerichteten und verstellbaren Andruckwalze angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die in DIN 8586 genormten Biegeverfahren und insbesondere auf das freie Biegen von flächigen metallischen Werkstücken. Bei bekannten Biegeverfahren wie beispielsweise nach EP 0341211 A2 erfolgt das Biegen von Blechen mit Hilfe einer Biegeeinrichtung, die einen Biegestempel sowie ein Gesenk mit verstellbarem Boden aufweist. Der Biegestempel dringt je nach erwünschtem Biegewinkel bis zu einer vorher definierten Eintauchtiefe mit gleichzeitigem Drücken des Matrizenbodens entlang der Biegelinie.

In der Praxis wurde festgestellt, dass oftmals Abweichungen im Biegewinkel auftreten. Dieses wurde unter anderem darauf zurückgeführt, dass die Blechschenkel in unbekanntem Maße zurückfedern, sobald der Biegestempel entlastet ist.

Die unerwünschte Rückfederung führte zur Entwicklung eines adaptiven Biegeverfahrens gemäß DE 694 01 594 , bei dem ein Korrekturwert aus einer Biegeformel berechnet wird, wobei der Biegewinkel während des Biegevorganges über Taststifte, die seitlich während des Biegevorganges am Werkstück angeordnet sind, erfasst wird und durch Anwendung der Biegeformel ein Korrekturwert für die Endposition des Biegestempels bestimmt wird.

Die vorgenannten Verfahren sind in der praktischen Durchführung aufwendig und ermöglichen keine universellen Anwendungen auf beliebige Werkstückformen und Biegewinkel. Es wurde daher nach einem einfachen Verfahren gesucht, bei dem der Biegewinkel exakt einstellbar ist und das mit hoher Genauigkeit reproduzierbare Werte für die Geometrie des gebogenen Werkstücks ermöglicht. Außerdem soll der Biegewinkel in Bezug auf die Blechbreite örtlich variabel sein und damit auch das Rückfederungsverhalten örtlich einstellbar sein. Auch eine für das neue Verfahren geeignete Biegevorrichtung soll wesentlich einfacher aufgebaut und flexibler einsetzbar sein.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht erfindungsgemäß im wesentlichen darin, dass die durch den Biegevorgang in der Umformzone entstandenen Spannungen mit einer Druckspannung in örtlich und zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten d.h. inkrementell überlagert wird. Dabei geht man von der Vorstellung aus, dass das Maximum der Zugspannung in einer in die Biegeschenkel verlagerten Umformzone erreicht wird, so dass auch hier die Spannungsüberlagerung mit der aufgebrachten Druckspannung in diesem Bereich der Umformzone erfolgen muss. Durch eine Steuerung dieses Prozesses soll die lokale Veränderung von Biegewinkel und Rückfederungsverhalten in Richtung der Blechteile ermöglicht werden.

In der praktischen Durchführung sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung deshalb eine Druckwalze insbesondere eine Stahlwalze mit einer vorzugsweise V-förmigen Nut, Ringnut oder mit einer Elastomerbeschichtung unterhalb des Biegestempels vor. Durch die Druckwalze werden Druckspannungen im Zugbereich der Umformzone entlang der Biegelinie übertragen, die zum einen den Wert des Fliessbeginns (R_P0,2) nicht übersteigen und zum anderen den Spannungszustand des Biegeteils örtlich und zeitlich gezielt ändern, so dass abschließend die Rückfederung um mehr als 50 % kompensiert werden kann. Hierzu wird gegebenenfalls ein Biegesensor vor der Druckwalze entsprechend dem Verlauf der Biegelinie auf dem Werkstück entlang gefahren und danach die Zustellung der Andruckwalze mithilfe einer Drucksteuerung bestimmt.

Zwar ist es aus anderen Umformverfahren grundsätzlich bekannt, durch Druckspannungsüberlagerung die Blechrückfederung zu verringern. Beispielsweise zeigt die DE 196 08 985 A1 ein Ziehverfahren mit einem geteilten Druckkissen, bei dem die Niederhalterplatte während der Umformung im Sinne eines Gegenziehvorganges verfahrbar ist. Konkrete Schritte für eine Kompensation der Rückfederung beim Blechbiegen sind daraus jedoch nicht ableitbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ausgangslage der Erfindung ist das bereits genannte freie Biegen, bei dem gem. 1 ein Biegestempel von oben auf ein Blech gedrückt wird. Das Blech liegt horizontal auf einem Gesenk, das mit zwei parallelliegenden Gesenksätzen für die Biegekanten ausgestattet ist. Taucht der Biegestempel nun mit seiner Stempelspitze in das Gesenk, so wird das Blech nach unten in das Gesenk hinein gebogen, wobei es sich seitlich auf die Gesenkkantenradien abstützt. Hierbei entstehen auf der Innenseite des Bleches im Bereich der Umformzone Druckspannungen, während auf der Außenseite des Bleches im Bereich der Umformzone Zugspannungen vorherrschen. Das Blech weist nun im belasteten Zustand einen Biegewinkel α₁ auf. Es besteht aus den seitlichen Biegeschenkeln, die auf die untere Stempelbiegekante zulaufen.
Es ist zwar bekannt, dass sich die maximalen Zugspannungen entlang der Biegelinie befinden, es ist aber nach Erkenntnis des Erfinders wichtig, die Kompensation durch Überlagerung der Zugspannung mit einer Druckspannung nicht allein in diesem Bereich zu bewirken.
Bei einer Andruckwalze mit V-förmiger Nut oder Ringnut wird die Druckspannung mit der Nut-Fläche bewirkt, die seitlich von außen gegen den Radiusbereich drückt. Durch diese Maßnahme wird in der Umformzone eine Kompensation der Zugspannung bewirkt, die ausreicht, um das gebogene Werkstück nach Entlastung durch den Biegestempel als gebrauchsfertiges Teil entnehmen zu können.
Grundsätzlich kann die Andruckrolle auch andere Formen haben, wie zum Beispiel die einer Kombination von einer Ring- und V-Nut oder mit einer balligen Oberfläche wie zum Beispiel bei einer Tonne ausgestattet sein. Es ist auch möglich, die Andruckrolle mit einer Elastomerbeschichtung zu versehen.
Es ist vorteilhaft, wenn im Abstand vor der Andruckwalze ein Biegewinkelsensor zwischen die Biegekanten eingesenkt wird. Dann kann die Zustellung der Andruckwalze in Abhängigkeit von der Messung des Sensorsignals aber auch von der einzustellenden Druckkraft druckgesteuert erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, den Sensor von außen an die Biegekanten heranzuführen, wenn dies unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten zweckmäßig ist.
Beispiel 1:
Mit der Vorschubgeschwindigkeit beeinflusst man die Überlagerung der Spannungen in zeitlicher Hinsicht. Aus Untersuchungen ergab sich, dass mit einer konstanten und relativ langsamen Vorschubgeschwindigkeit gute Ergebnisse erzielt werden können.
Beispiel 2:
Die Geometrie der V-Nut wird so bemessen, dass die Umformzone in den Biegeschenkeln erreicht wird. Dabei ist es wichtig, dass ein Kontakt zwischen der Fläche im Bereich der Nut und dem Biegeteil auch außerhalb des Radiusbereichs herrscht.
Beispiel 3:
Die Nutbreite soll vorzugsweise größer sein als 2x Biegeradius bzw. die Bugform des Stempels, damit bei einer V-Form eine möglichst große Kontaktfläche mit der Druckwalze entlang der Biegelinie erreicht wird.
Beispiel 4:
Um den herrschenden Kontakt in der Umformzone bei konstanter Nutzbreite zu verbessern, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit wechselnder Druckaufbringung durchgeführt werden. Dies ist vor allem bei Blechen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften oder Blechdicken von großem Vorteil.

Claims

Verfahren zum Biegen von flächigen metallischen Werkstücken, insbesondere von Stahlblechen, durch freies Biegen über Kanten entlang einer Biegelinie mit geradliniger Werkzeugbewegung, wobei die Biegekanten parallel zur Blechlängsrichtung angeordnet sind und die Werkzeugbewegung entlang der Blechbreite erfolgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte a) Einsenken eines Stempels zwischen die Biegekanten eines Gesenks b) Halten des Stempels bei der tiefsten Stelle der Biegung c) Aufbringung einer Druckspannung zur Kompensation der Spannungen in der durch das Biegen erzeugten Umformzone d) Inkrementelle Überlagerung der Zugspannung durch eine Druckspannung, die entlang der Biegelinie in Richtung der Blechbreite des gebogenen Werkstücks erfolgt, wobei das die Druckspannung erzeugende Werkzeug entlang der Biegelinie in Richtung der Blechbreite bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Zugspannung in der Umformzone durch eine zwischen Biegekante und Biegelinie inkrementell erzeugte Druckspannung erfolgt und der Biegewinkel örtlich über die Blechbreite variierend beeinflusst (eingestellt) wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementelle Überlagerung der Zugspannung durch Druckspannung mit einer Flächenpressung erfolgt, die im elastischen Bereich also unterhalb der Fließspannungsgrenze R_P0,2 des jeweiligen Werkstoffs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspannung inkrementell mit zu- und abnehmender Spannungsspitze im Bereich der maximalen Zugspannung zwischen Biegekante und Biegelinie erzeugt wird.
Biegevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Gesenk mit zwei parallel liegenden Gesenksätzen und einem oberhalb der Gesenksätze angeordneten Biegestempel, der in den Zwischenraum zwischen den Biegekanten einsenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gesenksätzen unterhalb des Stempels ein in Richtung der Biegeachse (also in der Blechbreite) verfahrbarer Schlitten mit einer in der Stempelachse wirkenden Andruckwalze angeordnet ist, die eine Nut in der Schnittebene mit der Stempelachse aufweist.
Biegevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Biegewinkelsensor im Abstand vor der Andruckwalze zwischen die Biegekanten einsenkbar ist und die Zustellung der Andruckwalze in Abhängigkeit von der Messung des Sensorsignals erfolgt.
Biegevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut eine V-Form, einen Radius aufweist.
Biegevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesenk auswechselbare und verdrehbare Gesenksätze aufweist, und dadurch unterschiedliche Gesenkweiten eingestellt werden können.
Biegevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung der Druckspannungen mithilfe der Andruckwalze entlang der Biegelinie inkrementell erfolgt.
Biegevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Vorschubgeschwindigkeit für die Bewegung der Andruckwalze entlang der Biegelinie des gebogenen Werkstücks vorgesehen ist.
Biegevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der V-Nut in der Andruckwalze so bemessen ist, dass die Kontaktfläche der gewählten Nut (V-Nut, Ringnut) mit der Außenwand des Bleches in den Zugbereich der Umformzone des Bleches reicht.
Biegevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Nutbreite der V-Nut dem Biegeradius des Bleches angepasst wird, damit sich eine große Kontaktfläche, über die gesamte Breite der Umformzone, mit der Andruckrolle ergibt.