EP4454778A1 - Vorrichtung zur herstellung von blechbauteilen - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung von blechbauteilen Download PDF

Info

Publication number
EP4454778A1
EP4454778A1 EP24401012.0A EP24401012A EP4454778A1 EP 4454778 A1 EP4454778 A1 EP 4454778A1 EP 24401012 A EP24401012 A EP 24401012A EP 4454778 A1 EP4454778 A1 EP 4454778A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sheet metal
servo
hydraulic
axis
metal component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24401012.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Pierer
Matthias Demmler
Dieter Weise
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4454778A1 publication Critical patent/EP4454778A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D31/00—Other methods for working sheet metal, metal tubes, metal profiles
    • B21D31/005—Incremental shaping or bending, e.g. stepwise moving a shaping tool along the surface of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
    • B21D37/16—Heating or cooling

Definitions

  • the invention relates to a device for producing sheet metal components according to the preamble of the first patent claim.
  • Incremental sheet metal forming is a forming technique for producing sheet metal parts with minimal tool costs compared to conventional forming techniques such as deep drawing.
  • the final shape is created by a path control (e.g. CNC, motion control, robot control) of a steel pin, which gradually brings the sheet metal into its final shape.
  • path control e.g. CNC, motion control, robot control
  • existing ISF systems work with robots or portal kinematics with electric drives with maximum forces of around 1t main force.
  • the limited force density of electric drives limits the formable sheet thickness to around 2mm for steel sheets. Solid sheets with higher sheet thicknesses, e.g. for ship components or special containers, cannot be produced with existing ISF systems.
  • Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming (Key Materials, Vol. 554-557, pp. 1478-1483, 2013 ) describes a forming press and technology for the incremental solid forming of load-adapted, near-net-shape functional parts such as gears, gears and the like.
  • a servo-hydraulic O-frame forming press with four servo-hydraulic additional axes was developed. The component is positioned with the axes under the press ram. The press ram then closes and forms a shaped element locally in the base body using a wedge- or cone-shaped tool. This shaped element can be, for example, a tooth flank or an entire tooth in a solid component. After the press ram is opened, the component is repositioned in order to form the next shaped element. With such a solution, no freely programmable and spatially interpolated movement paths are possible. No 3D free-form geometries can be produced.
  • 3D servo press (3 DOF, 1,600 kN)" from the TU Darmstadt
  • 3D servo press with three degrees of freedom of the press ram is described.
  • the ram is moved via a parallel kinematic movement system consisting of three articulation points.
  • Servo motors and a lever system act on the articulation points, whereby the articulation points are servo-controlled independently of one another. can be moved, whereby the movements of the ram plate in the z-direction and the rotation around the x- and y-axes can be freely realized.
  • the inclined position of the ram creates enormous transverse forces and tilting moments during the forming process, which are supported by massive guide systems.
  • massive guide systems Depending on the spatial processing area, very long mandrel-like forming tools are also required, the critical buckling length and bending stiffness of which severely restrict the achievable forming forces, especially outside the center of the working area.
  • NC welding device that also includes servo-hydraulic axes to position a component.
  • IBU incremental sheet metal forming
  • the publication CN 1 13 579 062 B describes an IBU device specifically for thin-walled sheets. The type of drive of the spinning mandrel is not disclosed.
  • a handling device that gradually transforms a component into its final shape is known from the publication DE 102 31 430 A1 known.
  • the workpiece is subjected to hammering with a form-independent processing tool for forming, in which the workpiece and/or the processing tool is guided along a predetermined path with a controlled handling device, while a forming element of the processing tool is hammered against the workpiece with a hammer bar drive.
  • This solution is not suitable for forming workpieces with a large sheet thickness.
  • the object of the invention is to develop a device for producing sheet metal components which has a simple structural design and provides high forces for larger sheet thicknesses at low tool costs and which operates energy efficiently.
  • the device for producing sheet metal components has a machine table for receiving a sheet metal component, a spinning mandrel for the step-by-step forming of the sheet metal component and a motion control, wherein the machine table and the spinning mandrel can be moved and/or rotated relative to one another within a coordinate system in the X, Y and Z directions by means of associated axes of a kinematics system, wherein at least one of the axes is designed as a servo-hydraulic axis and can be moved at least partially within the work space together with at least one further axis of the kinematics system via a motion control, wherein the servo-hydraulic axis is designed as a direct pump drive.
  • the direct pump drive enables energy-efficient operation and ensures the provision of high forming forces, which for the first time enables incremental thick sheet metal processing of sheet metal components with sheet thicknesses greater than 3 mm up to 15 mm.
  • the servo-hydraulic axis can be moved along a trajectory by means of the motion control in the form of a path control.
  • the control is preferably carried out by means of CNC control, alternatively a motion control is also possible.
  • the servo-hydraulic axis and the at least one further axis can advantageously be moved and/or rotated synchronously, whereby the control of the at least one servo-hydraulic axis in connection with the further axis can include a movement trajectory in space and/or can introduce defined forces in certain phases of the sheet metal forming.
  • the hydraulic drive principle in particular enables significantly higher forces to be applied, at least in one spatial degree of freedom, than with known electromechanical kinematics.
  • the axes in the X, Y and Z directions are designed in the form of servo-hydraulic axes in the form of a linear cylinder.
  • a rotation axis C is designed in the form of a servo-hydraulic axis, in particular a hydraulic rotary drive as a hydraulic motor.
  • the machine table can be moved in the X direction and rotated about the C axis.
  • the spinning mandrel can be moved in the Y direction and the Z direction.
  • the servo-hydraulic axis is designed as a direct pump drive, with at least one pump being directly connected to the servo-hydraulic axis, which is designed as a hydraulic cylinder and/or hydraulic rotary drive.
  • the pump is therefore connected without intermediate control valves.
  • the pump can preferably be controlled with sensitive position or pressure control via a drive converter in order to control the oil flow in the cylinder or hydraulic motor. This enables very precise axis controls comparable to fully electric axes. achievable. Since the oil flow is no longer guided over the control edges of valves, the system is very energy efficient and produces little waste heat.
  • the direct pump drive offers the advantages known from classic hydraulics, such as unmatched force density, significantly higher maximum and continuous forces compared to electric drives, overload capacity and full power development even when the axis is at a standstill and under continuous load.
  • the servo-hydraulic axes represent a compact functional unit, since the axis, pump and hydraulic circuitry form a compact, closed unit.
  • Classic hydraulic hoses/pipes and external oil cooling circuits can be omitted.
  • the integration effort is comparable to that of electric axes.
  • additional signals from a force measuring device can be detected by means of the motion control such that the effective forming forces can be detected and/or controlled.
  • control modes are possible in any order using the motion control, at least in sections or as a sequence: position control, speed control, force or pressure control or superimposed controls such as position control with force limitation.
  • a position- and/or force-controlled movement of individual axes can be controlled at least in sections by means of the motion control.
  • a contact point is formed between the spinning mandrel and the sheet metal component, wherein the contact point between the spinning mandrel and the sheet metal component or its surroundings can be heated by a heating device and/or by an electric current flow from the spinning mandrel through the sheet metal component in such a way that the formability is improved.
  • Heating is carried out, for example, by an inductor inducing eddy currents in the component to be formed (inductive heating) and/or by means of a gas burner that heats the forming zone and/or via the forming mandrel, and/or by passing an electric current (conductive heating) through the sheet metal.
  • the device preferably has a male and/or female die and/or a synchronously moving counter mandrel and/or a support of the sheet metal for producing a 3D geometry.
  • the contact force vector between the spinning mandrel and the sheet metal is an essential state variable for monitoring and controlling the process.
  • the force vector can be determined from the partial pressures weighted with the respective hydraulically effective areas of the hydraulic cylinders or hydraulic motors.
  • a further embodiment according to the invention uses a spinning mandrel with a sensor effect, in particular based on strain gauges or piezoelectric force transducers.
  • the device makes it possible to produce sheet metal components easily and without expensive tooling costs.
  • each component can be designed individually and the axes can be controlled depending on the requirements of the component's shape.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the device according to the invention with a machine table 1, a spinning mandrel 2 and a motion control 3.
  • the machine table 1 can be moved in an X, Y, Z coordinate system in an X direction by means of a first servo-hydraulic axis 4.
  • the first servo-hydraulic axis 4 is designed as a double cylinder 4.1, 4.2, each with a pump 4.3, 4.4 and a servo motor 4.5, 4.6.
  • the machine table 1 can be rotated about an axis of rotation C by means of a second servo-hydraulic axis 5 in the form of a hydraulic motor 5.1 with a pump 5.2 and a servo motor 5.3.
  • the spinning mandrel 2 is arranged on a machine frame 6 and can be moved along the Y-direction by means of a third servo-hydraulic axis 7 with a linear cylinder 7.1 and a pump 7.2 and associated servo motor 7.3.
  • the spinning mandrel 2 can be moved along the Z direction by means of a fourth servo-hydraulic axis 8 with associated linear cylinder 8.1, a pump 8.2 and a servo motor 8.3.
  • the linear cylinders are designed as hydraulic cylinders.
  • the servo motors 4.5, 4.6, 5.3, 7.3 and 8.3 are connected to the motion controller 3 and are regulated and/or controlled by it.
  • pressure sensors 9 are provided on the double cylinders 4.1, 4.2, which are connected to the motion control 3.
  • the pressure sensors 9 serve to
  • the force vector is determined from the partial pressures of the pressure sensors 9 weighted with the respective hydraulically effective areas of the hydraulic cylinders 4.1, 4.2.
  • the Figures 2 and 3 show schematic representations of the production of a sheet metal component 11 arranged in a hold-down device (hold-down device frame, hold-down device clamp) 10.
  • the hold-down device 10 is mounted on the machine table 1.
  • the component is produced according to Figure 2 in a two-point incremental forming (TPIF) process, wherein the sheet metal component 11 is clamped at its ends in the hold-down device 10 and rests at least partially on a die 12.
  • the spinning mandrel 2 moves along the contour of the die 12 and forms the sheet metal component 11 accordingly.
  • the hold-down devices 10 can be moved in a position-controlled manner during the forming process using the motion control.
  • Figure 3 shows a Dual-point Incremental Forming (DPIF) where a motion-controlled counter mandrel 13 replaces the die.
  • DPIF Dual-point Incremental Forming
  • the sheet metal component 11 is also arranged in a hold-down device 10.
  • the counter mandrel 13 can also be moved in the coordinate system corresponding to the spinning mandrel 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen, aufweisend einen Maschinentisch (1) zur Aufnahme eines Blechbauteils (11), einen Drückdorn (2) zur schrittweisen Umformung des Blechbauteils (11) und eine Bewegungssteuerung (3), wobei der Maschinentisch (1) und der Drückdorn (2) innerhalb eines Koordinatensystems zueinander in X-, Y- und Z-Richtung mittels zugehöriger Achsen eines Kinematiksystems verfahrbar und/oder drehbar sind, wobei wenigstens eine der Achsen als servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) ausgebildet ist und zumindest teilweise innerhalb des Arbeitsraums gemeinsam mit zumindest einer weiteren Achse des Kinematiksystems über die Bewegungssteuerung (3) verfahrbar ist, wobei die servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) als Pumpendirektantrieb mit mindestens einer Pumpe (4.3, 4.4, 5.2, 7.2, 8.2) ausgeführt ist, wobei die Pumpe (4.3, 4.4, 5.2, 7.2, 8.2) direkt mit einer, als Hydraulikzylinder und/oder hydraulischen Drehantrieb ausgeführten servohydraulischen Achse (4, 5, 7, 8) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
  • Die inkrementelle Blechumformung (IBU) ist eine Umformtechnik zur Herstellung von Blechteilen mit, im Vergleich zu herkömmlichen Umformtechniken wie dem Tiefziehen, minimalen Werkzeugkosten. Die endgültige Form wird durch eine Bahnsteuerung (z.B. CNC, MotionControl, Robotersteuerung) eines Stahlstifts erzeugt, der das Blech schrittweise in die endgültige Form bringt. Bestehende IBU-Anlagen arbeiten mit Robotern oder Portalkinematiken mit elektrischen Antrieben mit Maximalkräften mit ca. 1t Hauptkraft. Die begrenzte Kraftdichte elektrischer Antriebe limitiert die umformbare Blechdicke auf ca. 2mm bei Stahlblechen. Massive Bleche mit höheren Blechdicken, z.B. für Schiffskomponenten oder Spezialbehälter, sind mit bestehenden IBU-Anlagen nicht herstellbar.
  • In der Publikation "Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming" (Key Materials, Vol. 554-557, S. 1478-1483, 2013) wird eine Umformpresse und - technologie zur inkrementellen Massivumformung von belastungsangepassten, endkonturnahen Funktionsteilen wie Verzahnungen, Zahnräder und dergleichen beschrieben. Dabei wurde eine servohydraulische O-Gestell-Umformpresse mit vier servohydraulischen Zusatzachsen entwickelt. Das Bauteil wird mit den Achsen unter dem Pressenstempel positioniert. Anschließend schließt der Pressenstempel und formt dabei mit einem keil- oder kegelförmigen Werkzeug lokal ein Formelement in den Grundkörper ein. Dieses Formelement kann z.B. eine Zahnflanke oder ein ganzer Zahn in einem massiven Bauteil sein. Nach dem Öffnen des Pressenstempels wird das Bauteil repositioniert, um das nächste Formelement auszuformen. Mit einer derartigen Lösung sind keine freie programmierbaren und im Raum interpolierten Bewegungsbahnen möglich. Es lassen sich keine 3D-Freiformgeometrien herstellen.
  • In der Online-Publikation "3D-Servo-Presse (3 DOF, 1.600 kN)" der TU Darmstadt wird eine sog. 3D-Servo-Presse mit drei Freiheitsgraden des Pressenstößels beschrieben. Der Stößel wird über ein parallelkinematisches Bewegungssystem bestehend aus drei Anlenkpunkten bewegt. An den Anlenkpunkten greifen dazu jeweils Servomotoren und ein Hebelsystem an, wodurch die Anlenkpunkte unabhängig voneinander servogeregelt verfahren werden können, wodurch die Bewegungen der Stößelplatte in z-Richtung und die Rotation um die x- und y-Achse frei realisiert werden können.
  • In den Schriften "Controlling Product Stiffness by an Incremental Sheet Metal Forming Process" (Procedia Manufacturing 10, S. 276 - 285, 2017), "Orbital Forming of Flange Parts under Uncertainty" (Applied Mechanics and Materials, Volume 807, 2015) und der Dissertationsschrift "Modellbasierte Regelung der Stößelbewegung von Servopressen" (F. Hoppe, ISBN: 978-3-8440-8131-2, TU Darmstadt, 2021) erzeugen derartige Pressen eine kreisende, orbitale Bewegung von Umformwerkzeugen, um Bauteile sukzessive umzuformen oder Geometrieelemente lokal auszuformen. Komplexe, großflächige 3D-Freiformgeoemtrien, wie z.B. Bootskörper oder Chemiebehälter, lassen sich so nicht ausformen. Durch die Schrägstellung des Stößels entstehen während der Umformung enorme Querkräfte und Kippmomente, die durch massive Führungssysteme abgestützt werden. Ebenso sind in Abhängigkeit vom räumlichen Bearbeitungsbereich sehr lange dornartige Umformwerkzeuge erforderlich, deren kritische Knicklänge und Biegesteifigkeit die erzielbaren Umformkräfte, insbesondere außerhalb der Arbeitsraummitte, stark einschränkt.
  • Die Druckschrift EP 0 970 764 A1 beschreibt eine IBU-Maschine mit einer möglichen Ausgestaltung, die hydraulische Achsen verwendet, die über Ventile/Servo-Ventile geregelt werden. Diese im bisherigen Stand der Technik verwendeten Ventile wandeln seht viel Energie in Wärme um und sind daher nicht energieeffizient. Weiterhin kann keine mechanisch-hydraulische Energie, bspw. bei Brems- oder elastischen Rückfederungsvorgängen, in den elektrischen Teil des Antriebsstranges rekuperiert werden.
  • In der Druckschrift DE 10 2011 116 215 A1 wird ein Multi-Pin-Kissen beschrieben, bei welchen Pins an fixen Positionen aus einer Grundplatte ein- und ausgefahren werden. Eine schrittweise inkrementelle Umformung ist mit dieser Lösung nicht möglich.
  • Aus der Druckschrift DE 30 07 098 A1 ist eine NC-Schweißvorrichtung bekannt, die zwar auch servohydraulische Achsen beinhaltet um ein Bauteil zu positionieren. Auch hier erfolgt keine inkrementelle Blechumformung (IBU) für Dickbleche.
  • Die Druckschrift CN 1 13 579 062 B beschreibt eine IBU-Vorrichtung für explizit dünnwandige Bleche. Die Antriebsart des Drückdorns wird nicht offenbart.
  • Eine Handlingsvorrichtung (Roboter), die ein Bauteil schrittweise in seine Endform umformt, ist aus der Druckschrift DE 102 31 430 A1 bekannt. Dabei wird das Werkstuck zur Umformung einer hämmernden Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen wird, bei der das Werkstuck und/oder das Bearbeitungswerkzeug mit einer angesteuerten Handhabungseinrichtung auf einer vorgegebenen Bahn geführt wird, während ein Formgebungselement des Bearbeitungswerkzeugs mit einem Hammerbar-Antrieb hämmernd gegen das Werkstuck gestoßen wird. Diese Lösung ist zur Umformung von Werkstücken mit großer Blechdicke nicht geeignet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen zu entwickeln, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und hohe Kräfte für größere Blechstärken bei geringen Werkzeugkosten bereitstellt und die energieeffizient arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen weist einen Maschinentisch zur Aufnahme eines Blechbauteils, einen Drückdorn zur schrittweisen Umformung des Blechbauteils und eine Bewegungssteuerung auf, wobei der Maschinentisch und der Drückdorn innerhalb eines Koordinatensystems zueinander in X-, Y- und Z-Richtung mittels zugehöriger Achsen eines Kinematiksystems verfahrbar und/oder drehbar sind, wobei wenigstens eine der Achsen als servohydraulische Achse ausgebildet ist und zumindest teilweise innerhalb des Arbeitsraums gemeinsam mit zumindest einer weiteren Achse des Kinematiksystems über eine Bewegungssteuerung verfahrbar ist, wobei die servohydraulische Achse als Pumpendirektantrieb ausgeführt ist.
  • Der Pumpendirektantrieb ermöglich dabei eine energieeffiziente Arbeitsweise und gewährleistet die Bereitstellung hoher Umformkräfte, wodurch erstmalig eine inkrementelle Dickblechbearbeitung von Blechbauteilen mit Blechdicken größer 3mm bis hin zu 15 mm möglich ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die servohydraulische Achse mittels der Bewegungssteuerung in Form einer Bahnsteuerung entlang einer Trajektorie verfahrbar.
  • Die Steuerung erfolgt bevorzugt mittels CNC-Steuerung, alternativ ist auch eine MotionControl-Steuerung möglich. Die servohydraulische Achse und die zumindest eine weitere Achse sind vorteilhafter Weise synchron verfahrbar und/oder drehbar, wobei die Ansteuerung der wenigstens einen servohydraulischen Achse in Zusammenhang mit der weiteren Achse eine Bewegungstrajetorie im Raum beinhalten und/oder in bestimmten Phasen der Blechumformung definiert Kräfte einbringen kann.
  • Durch das insbesondere hydraulische Antriebsprinzip können zumindest in einem räumlichen Freiheitsgrad bedeutend höhere Kräfte als bei bekannten elektromechanischen Kinematiken aufgebracht werden.
  • Bevorzugt sind die Achsen in X-, Y- und Z-Richtung in Form von servohydraulischen Achsen in Form eines Linearzylinders ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine Drehachse C in Form einer servohydraulischen Achse, insbesondere eines hydraulischen Drehantriebs als Hydromotor ausgebildet.
  • Bei der Umformung sind auf die Achsen starke Querkräfte zu erwarten, die ggf. nicht durch die Führungen und Lager der hydraulischen Übertragungselemente (z.B. Linearzylinder, Hydromotor) getragen werden können, sondern durch entsprechend ausgelegte externe, mit der Maschinenrahmenstruktur verbundene, Führungen und Lager aufgefangen werden müssen. Bei großen Führungsabständen kann es vorteilhaft sein die Linearzylinder als Doppelzylinder auszuführen, um Kippmomente besser aufnehmen zu können und/oder die für größere Kraftanforderungen die effektive Zylinderfläche zu vergrößern.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Maschinentisch in X-Richtung verfahrbar und um die C-Achse drehbar. Der Drückdorn ist in Y-Richtung und Z-Richtung verfahrbar.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die servohydraulische Achse als Pumpendirektantrieb ausgeführt, wobei zumindest eine Pumpe direkt mit der, als Hydraulikzylinder und/oder hydraulischen Drehantrieb ausgeführten, servohydraulischen Achse verbunden ist. Der Anschluss der Pumpe erfolgt daher ohne zwischengeschaltete Regelventile. Die Pumpe ist bevorzugt über einen Antriebsumrichter feinfühlig lage- bzw. druckgeregelt ansteuerbar um den Ölstrom in dem Zylinder oder Hydromotor zu steuern. Dadurch sind sehr präzise Achsregelungen vergleichbar mit vollelektrischen Achsen erreichbar. Da der Ölstrom nicht mehr über die Steuerkanten von Ventilen geführt wird, ist das System sehr energieeffizient und produziert wenig Abwärme. Des Weiteren ist es im Gegensatz zu klassischen ventilbasierten hydraulischen Achsregelungen möglich, überschüssige Bewegungsenergie über den Servoantrieb zu rekuperieren, wodurch das gesamte System sehr energieeffizient wird. Gegenüber vollelektrischen Antrieben bietet der Pumpendirektantrieb die aus der klassischen Hydraulik bekannten Vorteile wie eine unübertroffene Kraftdichte, gegenüber elektrischen Antrieben wesentlich höhere Maximal- und Dauerkräfte, Überlastfähigkeit und volle Kraftentfaltung auch im Achsstillstand und unter Dauerbelastung. Aus maschinenbaulicher Sicht stellen die servohydraulischen Achsen eine kompakte Funktionseinheit dar, da Achse, Pumpe und die hydraulische Verschaltung eine kompakte, geschlossene Einheit bilden. Klassische hydraulische Verschlauchungen/Verrohrungen sowie externe Ölkühlkreisläufe können entfallen. Der Integrationsaufwand ist mit elektrischen Achsen vergleichbar.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mittels der Bewegungssteuerung zusätzliche Signale einer Kraftmessvorrichtung erfassbar derart, dass die wirkenden Umformkräfte erfassbar und/oder regelbar sind.
  • Bei der geregelten Bewegung der Achse sind dabei zumindest abschnittsweise oder als Sequenz folgende Regelmodi in beliebiger Abfolge mittels der Bewegungssteuerung möglich: Lageregelung, Geschwindigkeitsregelung, Kraft- bzw. Druckregelung oder überlagerte Regelungen wie Lageregelung mit Kraftbegrenzung.
  • Bevorzugt ist mittels der Bewegungssteuerung eine zumindest abschnittsweise lage- und/oder kraftgeregelte Bewegung einzelner Achsen steuerbar.
  • Vorzugsweise wird zwischen dem Drückdorn und dem Blechbauteil eine Kontaktstelle gebildet, wobei die Kontaktstelle zwischen dem Drückdorn und dem Blechbauteil oder deren Umgebung durch eine Erwärmungsvorrichtung und/oder durch einen elektrischen Stromfluss vom Drückdorn durch das Blechbauteil erwärmbar ist derart, dass die Umformbarkeit verbessert wird.
  • Die Erwärmung erfolgt beispielsweise indem ein Induktor Wirbelströme in das umzuformende Bauteil induziert (induktive Erwärmung) und/oder mittels eines Gasbrenners, der die Umformzone erwärmt und/oder über den Umformdorn, und/oder indem ein elektrischer Strom (konduktive Erwärmung) durch das Blech geleitet wird.
  • Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Patrize und/oder Matrize und/oder einen synchron mitfahrenden Gegendorn und/oder eine Abstützung des Bleches zur Erzeugung einer 3D-Geometrie auf.
  • Die Anwendung in mehrachsigen CNC-gesteuerten Achssystemen oder in Verbindung mit einer frei programmierbaren IBU ist gegenüber dem Stand der Technik neuartig. Die Maximalkraft von servohydraulischen Achsen unterliegt nicht den Beschränkungen vollelektrischer Antriebe. Lediglich die Belastung des Maschinenrahmens sowie der Führungs- und Lagerungselemente beschränken hierbei die erreichbare Maximalkraft. Beispielsweise können mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, insbesondere durch die Verwendung von Pumpendirektantrieben, Vorrichtungen mit Drückkräften von bis 40t ausgelegt werden, womit die inkrementelle Umformung für noch größerer Blechdicken und völlig neue Anwendungsgebiete denkbar ist.
  • Vorteilhaft kann es sein das Blechbauteil während des Umformprozesses zumindest teilweise an dessen Rändern in einem Niederhalterrahmen oder mehreren Niederhalterspannern zu spannen und zumindest teilweise während der Umformung positionsgeregelt nachzufahren, um das Blechbauteil über dem Gegenwerkzeug zu spannen und/oder eine definierte Zug- und/oder Niederhalterkraft aufzubringen.
  • Zur Prozessüberwachung und -regelung ist der Kontaktkraftvektor zwischen Drückdorn und Blech eine wesentliche Zustandsgröße für die Überwachung und Regelung des Prozesses. Der Kraftvektor kann dabei zum einen aus den Teildrücken gewichtet mit den jeweilig hydraulisch wirksamen Flächen der Hydraulikzylinder oder Hydromotoren ermittelt werden. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung nutzt hierzu einen sensorisch wirkenden Drückdorn, insbesondere auf Basis von Dehnmessstreifen oder piezoelektrischen Kraftwandlern.
  • Die Vorrichtung kann vorteilhaft für folgende umformtechnischen Operationen, insbesondere bei großen Blechdicken oder hochfesten Materialien eingesetzt werden:
    • Erzeugen von 3D-Geometrien durch zumindest teilweises inkrementelles Drücken des Bleches über die Patrize, Matrize, einen synchron mitfahrenden Gegendorn und/oder ohne Abstützung des Bleches
    • Lokales Durchstoßen der Blechebene, insbesondere zum Kragenziehen
    • Ausformen von Kanten und Sicken.
  • Die Vorrichtung ermöglicht es, Blechbauteile auf einfache Weise und ohne teure Werkzeugkosten herzustellen. Durch die Bewegungssteuerung der servohydraulischen Achsen kann jedes Bauteil individuell gestaltet und die Achsen in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Form des Bauteils gesteuert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Blechbauteils in einem Niederhalter mit Matrize,
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines Blechbauteils in einem Niederhalter mit einem Gegendorn.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Maschinentisch 1, einem, Drückdorn 2 und einer Bewegungssteuerung 3. Der Maschinentisch 1 ist in einem X,Y,Z-Koordinatensystem in einer X-Richtung mittels einer ersten servohydraulischen Achse 4 verfahrbar. Die erste servohydraulische Achse 4 ist als Doppelzylinder 4.1, 4.2 mit je einer Pumpe 4.3, 4.4 und einem Servomotor 4.5, 4.6 ausgebildet. Neben der Verfahrbarkeit in X-Richtung ist der Maschinentisch 1 mittels einer zweiten servohydraulischen Achse 5 in Form eines Hydromotors 5.1 mit einer Pumpe 5.2 und einem Servomotor 5.3 um eine Drehachse C drehbar.
  • Der Drückdorn 2 ist an einem Maschinengestell 6 angeordnet und mittels einer dritten servohydraulischen Achse 7 mit einem Linearzylinder 7.1 und einer Pumpe 7.2 und zugehörigem Servomotor 7.3 entlang der Y-Richtung verfahrbar.
  • Des Weiteren ist der Drückdorn 2 entlang der Z-Richtung mittels einer vierten servohydraulischen Achse 8 mit zugehörigem Linearzylinder 8.1, einer Pumpe 8.2 und einem Servomotor 8.3 verfahrbar.
  • Die Linearzylinder sind als Hydraulikzylinder ausgebildet.
  • Die Servomotoren 4.5, 4.6, 5.3, 7.3 und 8.3 sind mit der Bewegungssteuerung 3 verbunden und werden von dieser geregelt und/oder gesteuert.
  • Des Weiteren sind an den Doppelzylindern 4.1, 4.2 Drucksensoren 9 vorgesehen, die mit der Bewegungssteuerung 3 verbunden sind. Die Drucksensoren 9 dienen der
  • Prozessüberwachung und -regelung. Der Kraftvektor wird dabei aus den Teildrücken der Drucksensoren 9 gewichtet mit den jeweilig hydraulisch wirksamen Flächen der Hydraulikzylinder 4.1, 4.2 ermittelt.
  • Die Figuren 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen der Herstellung eines, in einem Niederhalter (Niederhalterrahmen, Niederhalterspanner) 10 angeordneten Blechbauteils 11. Der Niederhalter 10 ist auf dem Maschinentisch 1 montiert. Das Bauteil wird gemäß Figur 2 in einem Two-point Incremental Forming (TPIF) Verfahren hergestellt, wobei das Blechbauteil 11 an seinen Enden in dem Niederhalter 10 eingespannt ist und zumindest teilweise auf einer Matrize 12 aufliegt. Der Drückdorn 2 fährt entlang der Kontur der Matrize 12 diese ab und formt das Blechbauteil 11 entsprechend um. Die Niederhalter 10 sind während der Umformung mittels der Bewegungssteuerung positionsgeregelt nachfahrbar.
  • Figur 3 zeigt ein Dual-point Incremental Forming (DPIF) wobei ein bewegungsgesteuerter Gegendorn 13 die Matrize ersetzt. Gemäß Figur 3 ist das Blechbauteil 11 ebenfalls in einem Niederhalter 10 angeordnet. Der Gegendorn 13 ist ebenfalls in dem Koordinatensystem entsprechend dem Drückdorn 2 verfahrbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Maschinentisch
    2
    Drückdorn
    3
    Bewegungssteuerung
    4
    erste servohydraulische Achse
    4.1
    Linearzylinder
    4.2
    Linearzylinder
    4.3
    Pumpe
    4.4
    Pumpe
    4.5
    Servomotor
    4.6
    Servomotor
    5
    zweite servohydraulische Achse
    5.1
    Hydromotor
    5.2
    Pumpe
    5.3
    Servomotor
    6
    Maschinengestell
    7
    dritte servohydraulische Achse
    7.1
    Linearzylinder
    7.2
    Pumpe
    7.3
    Servomotor
    8
    vierte servohydraulische Achse
    8.1
    Linearzylinder
    8.2
    Pumpe
    8.3
    Servomotor
    9
    Drucksensor
    10
    Niederhalter
    11
    Blechbauteil
    12
    Matrize
    13
    Gegendorn
    C
    Drehachse Maschinentisch

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen, aufweisend einen Maschinentisch (1) zur Aufnahme eines Blechbauteils (11), einen Drückdorn (2) zur schrittweisen Umformung des Blechbauteils (11) und eine Bewegungssteuerung (3), wobei der Maschinentisch (1) und der Drückdorn (2) innerhalb eines Koordinatensystems zueinander in X-, Y- und Z-Richtung mittels zugehöriger Achsen eines Kinematiksystems verfahrbar und/oder drehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Achsen als servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) ausgebildet ist und zumindest teilweise innerhalb des Arbeitsraums gemeinsam mit zumindest einer weiteren Achse des Kinematiksystems über die Bewegungssteuerung (3) verfahrbar ist, wobei die servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) als Pumpendirektantrieb mit mindestens einer Pumpe (4.3, 4.4, 5.2, 7.2, 8.2) ausgeführt ist, wobei die Pumpe (4.3, 4.4, 5.2, 7.2, 8.2) direkt mit einer, als Hydraulikzylinder und/oder hydraulischen Drehantrieb ausgeführten servohydraulischen Achse (4, 5, 7, 8) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) mittels der Bewegungssteuerung (3) in Form einer Bahnsteuerung entlang einer Trajektorie verfahrbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) und die zumindest eine weitere Achse synchron verfahrbar/drehbar sind, wobei die servohydraulische Achse (4, 5, 7, 8) einen rotativen oder translatorischen Freiheitsgrad aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinentisch (1) in X-Richtung verfahrbar und um eine C-Achse drehbar ist und dass der Drückdorn (2) in Y-Richtung und Z-Richtung verfahrbar ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (4.3, 4.4, 5.2, 7.2, 8.2) über einen Antriebsumrichter lage- bzw. druckgeregelt ansteuerbar ist derart, dass der Ölstrom in der servohydraulischen Achse (4, 5, 7, 8) regelbar und/oder steuerbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kraftmessvorrichtung aufweist und dass mittels der Bewegungssteuerung (3) zusätzliche Signale der Kraftmessvorrichtung erfassbar sind derart, dass die wirkenden Umformkräfte erfassbar und/oder regelbar sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Bewegungssteuerung (3) eine zumindest abschnittsweise lage- und/oder kraftgeregelte Bewegung einzelner servohydraulischer Achsen (4, 5, 7, 8) steuerbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drückdorn (2) und dem Blechbauteil (11) eine Kontaktstelle ist, wobei die Kontaktstelle zwischen dem Drückdorn (2) und dem Blechbauteil (11) oder deren Umgebung durch eine, in der Vorrichtung angeordnete Erwärmungsvorrichtung und/oder durch einen elektrischen Stromfluss vom Drückdorn (2) durch das Blechbauteil (11) erwärmbar ist derart, dass die Umformbarkeit verbessert wird.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Patrize und/oder Matrize (12) und/oder einen synchron mitfahrenden Gegendorn (13) und/oder eine Abstützung des Blechbauteils (11) zur Erzeugung einer 3D-Geometrie aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Niederhalterrahmen (10) oder mehrere Niederhalterspanner (10) zur Spannung des Blechbauteils (11) aufweist und dass der Niederhalterrahmen (10) oder die mehreren Niederhalterspanner (10) während der Umformung mittels der Bewegungssteuerung (3) positionsgeregelt nachfahrbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prozessüberwachung und -regelung ein Kontaktkraftvektor zwischen Drückdorn und dem Blechbauteil (11) erfassbar ist, wobei der Kraftvektor aus den Teildrücken gewichtet mit den jeweilig hydraulisch wirksamen Flächen der Linearzylinder oder Hydromotoren (4.1, 4.2, 5.1, 7.1, 8.1) ermittelt wird oder dass die Vorrichtung einen sensorisch wirkenden Drückdorn (2) auf Basis von Dehnmessstreifen oder piezoelektrischen Kraftwandlern aufweist.
EP24401012.0A 2023-04-27 2024-04-18 Vorrichtung zur herstellung von blechbauteilen Pending EP4454778A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023110863.8A DE102023110863A1 (de) 2023-04-27 2023-04-27 Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4454778A1 true EP4454778A1 (de) 2024-10-30

Family

ID=91082013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24401012.0A Pending EP4454778A1 (de) 2023-04-27 2024-04-18 Vorrichtung zur herstellung von blechbauteilen

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4454778A1 (de)
DE (1) DE102023110863A1 (de)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3007098A1 (de) 1980-02-26 1981-09-03 Klöckner-Werke AG, 4100 Duisburg Programmgesteuerter manipulator und verfahren zum schweissen von werkstuecken
EP0970764A1 (de) 1998-01-29 2000-01-12 Amino Corporation Vorrichtung zum herstellen von plattenmaterial
DE10231430A1 (de) 2002-07-11 2004-02-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken
EP2052810A1 (de) * 2007-10-22 2009-04-29 EADS Deutschland GmbH Werkzeughalter und Verfahren zur Erzeugung einer inkrementellen Folie damit
DE102011116215A1 (de) 2011-10-17 2013-04-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Umformen flächiger Werkstücke
DE102014014202A1 (de) * 2014-09-22 2016-03-24 Technische Universität Dortmund Verfahren und Vorrichtung zur kombinierten Herstellung von Bauteilen mittels inkrementeller Blechumformung und additiver Verfahren in einer Aufspannung
CN108339886A (zh) * 2018-01-31 2018-07-31 南京工程学院 一种基于渐进成形机床的液压夹具及其板料成形补料方法
US10144048B2 (en) * 2014-11-19 2018-12-04 Ford Global Technologies, Llc High stiffness and high access forming tool for incremental sheet forming
CN113579062A (zh) 2021-07-23 2021-11-02 武汉理工大学 一种航天薄壁口框零件摩擦3d增量成形装置及方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3007098A1 (de) 1980-02-26 1981-09-03 Klöckner-Werke AG, 4100 Duisburg Programmgesteuerter manipulator und verfahren zum schweissen von werkstuecken
EP0970764A1 (de) 1998-01-29 2000-01-12 Amino Corporation Vorrichtung zum herstellen von plattenmaterial
DE10231430A1 (de) 2002-07-11 2004-02-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur automatisierten Umformung von Werkstücken
EP2052810A1 (de) * 2007-10-22 2009-04-29 EADS Deutschland GmbH Werkzeughalter und Verfahren zur Erzeugung einer inkrementellen Folie damit
DE102011116215A1 (de) 2011-10-17 2013-04-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Umformen flächiger Werkstücke
DE102014014202A1 (de) * 2014-09-22 2016-03-24 Technische Universität Dortmund Verfahren und Vorrichtung zur kombinierten Herstellung von Bauteilen mittels inkrementeller Blechumformung und additiver Verfahren in einer Aufspannung
US10144048B2 (en) * 2014-11-19 2018-12-04 Ford Global Technologies, Llc High stiffness and high access forming tool for incremental sheet forming
CN108339886A (zh) * 2018-01-31 2018-07-31 南京工程学院 一种基于渐进成形机床的液压夹具及其板料成形补料方法
CN113579062A (zh) 2021-07-23 2021-11-02 武汉理工大学 一种航天薄壁口框零件摩擦3d增量成形装置及方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Controlling Product Stiffness by an Incremental Sheet Metal Forming Process", PROCEDIA MANUFACTURING, vol. 10, 2017, pages 276 - 285
"Novel five-axis forming press for the incremental sheet-bulk metal forming", KEY MATERIALS, vol. 554, no. 557, 2013, pages 1478 - 1483
"Orbital Forming of Flange Parts under Uncertainty", APPLIED MECHANICS AND MATERIALS, vol. 807, 2015
F. HOPPE, MODELLBASIERTE REGELUNG DER STÖSSELBEWEGUNG VON SERVOPRESSEN, 2021

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023110863A1 (de) 2024-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013214019B3 (de) Spannvorrichtung zum Positionieren von Werkstücken, Werkzeugmaschine mit einer derartigen Spannvorrichtung, Verfahren zum Positionieren von Werkstücken mittels einer derartigen Spannvorrichtung
EP3197633B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kombinierten herstellung von bauteilen mittels inkrementeller blechumformung und additiver verfahren in einer aufspannung
DE102011079734A1 (de) Verfahren zum verbessern der geometrischen genauigkeit eines inkrementell ausgebildeten werkstücks
DE10231430B4 (de) Verfahren zur automatisierten Umformung von dünnwandigen Werkstücken
EP3515626B1 (de) Werkzeugmaschine und verfahren zum bearbeiten von plattenförmigen werkstücken
EP1782896B1 (de) Verfahren zum Umformen eines Werkstückes und Walzmaschine
DE102004057814B4 (de) Verfahren zum Steuern der Stellung von Werkstück und Werkzeug mit einem Roboter in einer Bearbeitungsmaschine
DE102015002280B4 (de) Verfahren und Anlage zum automatisierten Richten eines Gussteils
DE102023110863A1 (de) Vorrichtung zur Herstellung von Blechbauteilen
EP1759780A1 (de) Mehrstufen-Tiefzieh-Umformautomat mit unabhängig gesteuerten Stufen
DE19623148C2 (de) Verfahren und Anlage zur Herstellung oder Aufarbeitung von dreidimensionalen, metallischen Hohlformen
DE4310773A1 (de) Freies Plastisches Biegen
DE102009025726B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur inkrementellen Blechumformung
EP3113893A1 (de) Verfahren zur individualisierten anpassung der form von bauteilen
US6907762B2 (en) Method and forming machine for deforming a hollow workpiece
EP1763412B1 (de) Bördelvorrichtung mit einem ankippsystem
EP2662161B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs
DE10327207B4 (de) LOM-Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks und dessen Verwendung
WO2022084466A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten einer materialbahn mit hierin gehalterten werkstücken, folgeverbundwerkzeug, einzelmodul, anordnung von mehreren solchen einzelmodulen, individualwerkzeug sowie anlage zum bearbeiten einer materialbahn
EP0753379A1 (de) Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes
DE102013006798A1 (de) Pressenwerkzeug, Pressenlinie und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks
JPS632694B2 (de)
DE102006052696A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Umformen von Halbzeugen
DE102006013652B4 (de) Bearbeitungswerkzeug sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks
EP2281682A2 (de) Maschinensystem zur Steuerung und zum Betrieb mehrerer spanlos formgebender Werkzeugmaschinen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20241227