DE4428827A1

DE4428827A1 - Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Werkstücken durch eine Kombination von Strangpressen und Biegen

Info

Publication number: DE4428827A1
Application number: DE4428827A
Authority: DE
Inventors: Matthias Prof Dr Ing Kleiner
Original assignee: Individual
Current assignee: KLEINER, MATTHIAS, PROF. DR.-ING., 03222 LUEBBENAU
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1996-03-14
Also published as: DK0706843T3; EP0706843B1; EP0706843A1; ATE175907T1; ES2129715T3; DE59504890D1

Description

Das Strangpressen gehört zu dem Bereich des Druckumformens - spezieller zu den Durchdrückverfahren, die gegliedert sind in das Verjüngen, das Strangpressen und das Fließ pressen. Beim Strangpressen wird weiterhin unterschieden, ob starre Werkzeuge oder Wirkme dien eingesetzt werden. Die Grundverfahren des Strangpressens werden nach der Richtung des Stoffflusses bezogen auf die Wirkrichtung der Maschine in Vorwärts-, Rückwärts- und Quer- Strangpressen sowie nach der Werkzeuggeometrie in Voll- und Hohl-Strangpressen unterteilt /5/. Das sog. Vorwärts-Strangpressen wird in der industriellen Praxis auch oft als direktes Strangpressen und Rückwärts-Strangpressen als indirektes Strangpressen bezeichnet.

Zum Strangpressen werden überwiegend liegende hydraulische Pressen mit Speicher- oder Direktantrieb verwendet. Beim Verpressen von weichen Aluminiumlegierungen geht der Trend zum Einsatz hydraulischer Pressen mit Direktantrieb. Neben der eigentlichen Strangpreß maschine einschließlich Steuerung bedarf es weiterhin einer vorgelagerten Blockerwärmungs anlage, Zuführeinrichtungen bzw. Manipulatoren zur Halbzeug- und Werkstückhandhabung, Werkzeugwechselsysteme, Scher- und Fördereinrichtungen zum Ablängen der gepreßten Profile sowie Abkühltische.

Im Gegensatz zum Fließpressen, bei welchem überwiegend Stückgut im Kalt- oder im Warmfließpreßverfahren gefertigt wird, eignet sich das Strangpressen als Warmumform verfahren zur Herstellung langgestreckter Werkstücke mit komplexen Profilquerschnitten.

Typische Strangpreßteile sind /1, 8, 10, 12, 15, 18/:

- Bauteile in der Bauindustrie, wie z. B. Fensterprofile, Handläufe an Brückengeländern und Treppenhäusern sowie Träger für Brückenkonstruktionen,
- im Waggonbau Konstruktionsprofile und Profilversteifungen in Differential- und Großprofilbauweise,
- in der Flugzeugindustrie Werkstücke aus Aluminium für Fenstereinfassungen, Sitzbe festigungen oder Profilholme als Versteifungsrippen,
- dekorative Bauteile in der Automobilindustrie, wie z. B. Fenstereinfassungen, Regen rinnen, Podestkanten und Zierleisten.

Neben statischen oder optischen Funktionen übernehmen Strangpreßprofile in zunehmender Weise Aufgaben multifunktionaler Konstruktionselemente.

Als Werkstoffe für stranggepreßte Profile eignen sich neben legierten und unlegierten Stählen viele NE-Schwer- und -Leichtmetalle, insbesondere aber aushärtbare Legierungen aus Alumini um wie beispielsweise AlMgSi0,5 oder AlCuMg2, welche ihre Festigkeit erst durch die Wärme behandlung erhalten.

Die Fertigung von Strangpreßprofilen ist bislang nur mit gerader Längsachse praxisüblich. In der Regel ist diese Geradheit eines der Kriterien zur Beurteilung der Form- und Maßgenau igkeit. Um diese zu gewährleisten und darüber hinaus z. B. Eigenspannungen oder eine un gleichmäßige Verteilung des Gefüges weitestgehend zu minimieren, bedarf es weiterer Be arbeitungsschritte. Hier sind das Abschrecken mit Luft oder Wasser, das Recken auf einer Streckmaschine, das Ablängen und das Richten zu nennen.

Bei dieser Fertigungsverfahrensfolge werden die Strangpreßprofile erst nach dem Ablängen und Kühlen in einem Biegebetrieb weiter bearbeitet. So ist ein erneutes Spannen, Erwärmen und Positionieren des Profilkörpers nötig, wodurch zusätzliche Kosten und eine höhere Durchlauf zeit bedingt sind. Es wäre jedoch denkbar, das bessere Umformvermögen der Profile noch im warmen Zustand direkt hinter der Strangpresse für Biegeoperationen zu nutzen.

Gartner und Wagner beschreiben in einer Offenlegungsschrift /4/ ein Verfahren und eine Vor richtung zum Bearbeiten von frisch stranggepreßten Profilen. Dabei beinhaltet die beschriebene Apparatur aber lediglich das vollautomatische Greifen der frischen Stränge, das genaue Positio nieren und Ausrichten sowie das Halten und Recken im noch warmen Zustand bis zu einer be stimmten Abkühlungstemperatur.

Zilges erläutert in einer Patentschrift /19/ ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von metallischen Profilsträngen. Hier erfährt das Strangprofil direkt hinter der Matrize noch in gleicher Temperatur eine weitere Querschnittsreduzierung zwischen Walzen bei gleichzeitiger Ausübung eines Zuges. Wechselwirkungen zeitlich zwischen den herkömmlichen Umform stufen sollen so vermieden werden.

Ein Umformverfahren zum Herstellen von Vertiefungen z. B. von Gewinden beschreibt eine weitere Offenlegungsschrift /11/. Unmittelbar nach dem Verlassen der Strangpresse erfährt der noch weiche Werkstoff durch eine einprägende Vorrichtung eine Umformung in Form z. B. eines umlaufenden Gewindes.

Profilrunden

Beim Biegen von Profilen um eine beliebige Biegeachse in der Ebene des Profilquerschnitts, das hier als "Profilrunden" bezeichnet werden soll, stellt die Vielzahl der Profilquerschnitte und der Werkstückformen sehr hohe Anforderungen an die einsetzbaren Biegeverfahren. Ins besondere erfordern Profile mit asymmetrischen Querschnitten Biegeverfahren, die uner wünschte Querschnittsverformungen weitgehend verhindern. Neue Entwicklungen im Bereich der Biegeumformung umfassen daher neben der Modifizierung bekannter Verfahren /13, 3, 2/ verstärkt die Entwicklung neuer Umformverfahren /6, 7, 9/, oder Verfahrenskombinationen.

Die wichtigsten Verfahren zum Profilrunden sind:

- das Walzrunden, das zu den Biegeverfahren mit kinematischer Gestalterzeugung gehört und
- das Rundbiegen, als ein formgebundenes Verfahren.

Beide Verfahren kennzeichnet eine Drehbewegung der Werkzeuge. Das Walzrunden ist ein Biegeverfahren, welches sowohl zum Biegen von Blechen als auch zum Profilrunden eingesetzt wird. Das Halbzeug durchläuft einen Umformbereich zwischen drei räumlich angeordneten Walzen, deren Zustellung zueinander die Werkstückform bestimmt. Die weitgehende Unab hängigkeit der Werkstückgeometrie von der Werkzeugform hat eine hohe Flexibilität dieses Verfahrens zur Folge.

Das Walzrunden von Profilen ist jedoch mit dem konstruktiv bedingten Nachteil der fehlenden Werkstückführung in der Umformzone verbunden. Denn die - insbesondere bei einer asymme trischen Anordnung der Biegewalzen - Verlagerung der maximalen Formänderung in Richtung der Biegewalze führt beim Profilrunden zu einer größeren Querschnittsverformung, die im Bereich der freien Biegelänge nicht mehr kompensiert werden kann. Eine ähnliche Verlagerung der Stelle maximaler Umformung in Richtung der Biegewalze konnte auch beim Walzrunden beobachtet werden.

Ein weiteres Umformverfahren zum Profilrunden ist das Rundbiegen um einen Biegekern. Dieses formgebundene Biegeverfahren besitzt eine im Vergleich zum Walzrunden geringe Flexibilität, findet jedoch trotzdem wegen seiner deutlich besseren Werkstückführung eine relativ breite Anwendung. Insbesondere beim Runden von asymmetrischen Profilquerschnitten sind eine hohe Maßgenauigkeit und geringe unerwünschte Querschnittsverformungen erzielbar.

Eine wesentliche Erweiterung der Verfahrensgrenzen insbesondere im Hinblick auf erzielbare Umformgrade und auch auf die Maßgenauigkeit ist durch den Einsatz eines Walzbiegeverfah rens mit überlagerter Druckspannung möglich. Bild 2 zeigt das Prinzip des Verfahrens am Bei spiel des Hochkantbiegens eines Blechstreifens. Das Material durchläuft einen Walzspalt, in dem es eine geringe Dickenreduktion erfährt. Unmittelbar hinter dem Walzspalt befindet sich eine Biegerolle, die senkrecht zur Walzrichtung bewegt wird und eine Biegekraft auf das Werkstück überträgt. Damit wird das durchlaufende Halbzeug kontinuierlich gekrümmt.

Die ersten Untersuchungen dieses Verfahrens wurden von Tozawa /17/ durchgeführt. Dabei wurde insbesondere die Wechselbeziehung zwischen der Dickenreduktion, dem Biegeradius und der Querschnittsqualität betrachtet. Danach wird der Umformwiderstand für die Biegung durch den Walzvorgang stark reduziert. Dieser Zusammenhang kann auch beim Profilrunden zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen vorteilhaft genutzt werden. Eine Modifikation des Verfahrens zum Runden von offenen, dünnwandigen Profilen wurde in /6/ vorgestellt. Am Beispiel eines Winkelprofils zeigt Bild 3 die entsprechende Werkzeuganordnung.

Durch die zunehmenden Einsatzgebiete besonders von stranggepreßten Aluminiumprofilen sind neue Biegetechniken zur Großserienfertigung unerläßlich. Durch das "Räumliche Abroll- Streck-Biegen (RASB)", dem "Abroll- Streck-Biegen (ASB)" sowie dem "Preß-Roll-Walz- Biegen" auf CNC-gesteuerten Biegemaschinen wurden von Späth /14-16/ neue Ansätze zum automatisierten Profilbiegen geliefert. Hierbei werden die bereits stranggepreßten Profile der Erwärmungseinrichtung einer Biegemaschine zugeführt. Anschließend erfolgt die Weitergabe über ein Greifersystem in eine Profilschiene, in der das zu biegende Profil einseitig eingespannt wird. Nachdem das andere Ende in das Biegewerkzeug eingespannt ist, erfolgt der eigentliche Biegevorgang mit einer Abrollbewegung des walzenförmigen Biegewerkzeugs auf dem Werk stück, ohne das eine Relativbewegung auftritt. Durch die Überlagerung von Zugspannungen kann die Lage der biegespannungsfreien Faser im Profil so verlagert werden, daß die sonst übliche Entstehung von Falten, Beulen oder Knicken weitgehend ausgeschlossen wird. Die Umformzone wird dabei vom Biegewerkzeug umschlossen, wodurch eine höhere Querschnitt streue erreicht wird. Mit diesem Biegeverfahren lassen sich Profilbögen bis zu 360° herstellen.

Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Werkstücken durch eine Kombination von Strangpressen und Biegen

In Analogie zum Biegen von Profilen in Kombination mit einem Walzvorgang wird vor geschlagen ein, beim Strangpressen von profil-, rohr- oder stabförmigen Halbzeugen, aus der Strangpreßmatrize austretende Werkstück über eine geeignete Vorrichtung (wie z. B. die nachfolgend aufgeführte Führungsrolle oder ein Druckstück) quer zur Preßrichtung eine Querkraft einzuleiten, wie dies prinzipiell in Bild 1 skizziert ist. Dadurch sollen die folgenden Werkstückquerschnitte derart beeinflußt werden, daß sie nicht parallel zueinander aus der Matrize austreten, sondern in einem Winkel zueinander. Somit erhält das Werkstück insgesamt eine gekrümmte Geometrie, die über die Positionierung bzw. Orientierung der Führungsrolle definiert einstellbar ist. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung der Positionierung bzw. Orientierung der Führungsrolle soll sowohl der gewünschte Krümmungsverlauf als auch der entsprechende Krümmungsradius eingestellt werden. Dabei ist die Ausbildung der Werk stückkrümmung nicht nur in einer Ebene, sondern beliebig im Raum möglich, so daß auch komplexe Werkstückgeometrien herstellbar sind.

Das zu patentierende Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß es sowohl auf konventionellen, für diese Umformoperationen eingesetzten Pressen, als auch speziellen, für dieses Verfahren optimierten, Umform-Maschinen durchführbar ist.

Literaturverzeichnis

/1/ Abbots, J.:
Section bending of aluminium extruded sections. Sheet Metal Industries, 66(1989)5, S. 240
/2/ Carl, J.:
Näherungslösung des nichtlinearen Biege-Torsionsproblems für dünnwandige Stäbe mit offenem Profil. Dr.-Ing. Dissertation, Universität Berlin 1969
/3/ Franz, W.-D.:
Das Kaltbiegen von Rohren. Springer-Verlag Berlin Göttingen Heidelberg, 1961
/4/ Gartner, F.; Wagner, R.:
Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von frisch stranggepreßten Profilen. OS DE 40 19 974 A1, Deutsches Patentamt München 1992
/5/ Lange, K.:
Lehrbuch für Umformtechnik: Handbuch für Industrie und Wissenschaft. Bd. 3: Massivumformung, Springer-Verlag 1990
/6/ Liewald, M.; Kleiner, M.:
Das Rundbiegen von dünnwandigen, offenen Profilen um beliebige Biegeachsen. Industrie-Anzeiger 108(1986)51, S. 31-32
/7/ Mosnin, E. N.; Janov, S.I.:
Neue Entw. in Techn. und Ausrüstungen für das Biegen von Rohren über kleine Radien. Kuznecno-Stampovocnoe Proizvodstvo, Jg. 71, Heft 6, S. 18-21
/8/ Mundl, A.:
Anwendung von Strangpreßprofilen im Fahrzeugbau. Münchner Werkstofftechnik-Seminare, München, 7.-8.3. 1991
/9/ Murakami, H.; Yamada, O.; Takasaki, M.:
Edge-Wise Roll Bending of Shaped Metals. Proc. of the 3rd Int.-Conf on "Rotary Metalworking Processes" 8-10.9.1984 Kyoto, Japan
/10/ Muraoka, Y.; Miyaoka, H.:
Development of an all-aluminium automotive body. Journal of Materials Processing Technology 38(1993)4, S. 655-674
/11/ N.N.: Verfahren zur Herstellung von Vertiefungen, z. B. Gewinden. OS DE 42 01 746 A1, Deutsches Patentamt München 1993
/12/ N.N.:
Biegen von Aluminium-Strangpreßprofilen am Beispiel des Schienenfahrzeugbaus. Finnenschrift, VAW aluminium AG, Forschung und Entwicklung, 1993
/13/ Oehler, G.:
Hochkant-Kaltbiegen. Forschungsbericht des Landes NRW, Westdeutscher Verlag, Köln Opladen 1967
/14/ Späth,W.:
Gebogene Rahmenprofile aus Magnesium mit komplizierten Querschnitten. Maschinenmarkt 97(1991)29, S. 56-61
/15/ Späth,W.:
Biegen großer Strangpreßprofile für Aluminiumwagen Aluminium 67(1991)6, S. 556-557
/16/ Späth,W.:
CNC-controlled bending machine for extruded guide rails. Light Metal Age 48(1990)1/2, S. 74-75
/17/ Tozawa, Y.:
A New Tube Bending Method-Application of "Bend-Rolling Process". Annals of the CIRP Vol. 37/1/1988, pp. 285-288
/18/ Waehling, H.G.:
Karosseriebauteile aus Aluminium-Strangpreßprofilen. Aluminium 69(1993)1, S.49-51
/19/ Zilges,F.-J.:
Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilsträngen. Patentschrift DE 39 39 217 C2, Deutsches Patentamt 1993

Claims

Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Werkstücken durch eine Kombination von Strang pressen und Biegen,
gekennzeichnet dadurch, daß:
- 1. Das Werkstück unmittelbar nach dem Austritt aus der "Matrize" der Strangpresse durch eine geeignet gestaltete Vorrichtung (z. B. eine Rolle) gebogen wird.
- 2. Das es sowohl für das Voll- als auch für das Hohlstrangpressen geeignet ist.
- 3. Das Verfahren sowohl auf konventionellen, für diese Umformoperationen eingesetzten, Pressen als auch speziellen, für dieses Verfahren optimierten, Umform-Maschinen durch führbar ist.
- 4. Durch die Regelung bzw. Steuerung der Position bzw. Orientierung des Biegewerkzeuges unterschiedliche Biegeradien als auch Radienverläufe hergestellt werden können.
- 5. Die Ausbildung der Krümmung nicht nur in einer Ebene, sondern beliebig im Raum erfolgen kann.