Autor: Hans Wilfried Wagener

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden die elastischen Wechselwirkungen im Ziehapparat einfachwirkender Tiefziehpressen untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt zum einen in der Bestimmung der Genauigkeitskenngrößen und Kennwerte der Tischziehkissenanlage, zum anderen wird das Zusammenspiel von Ziehkissen, Werkzeug und Ziehstößel betrachtet. Ausgehend von der Übertragung der für den Pressen-Stößel aufgestellten Genauigkeitskenngrößen auf die Verhältnisse am Ziehkissen wird eine Meß- und Auswertungsmethodik entwickelt, mit deren Hilfe eine weitgehend automatisierte Bestimmung der Genauigkeitskennwerte einer Ziehkissenanlage ermöglicht wird. Ebenso werden Methoden zur kontinuierlichen Erfassung und rechnergestützten Auswertung der elastischen Wechselwirkungen im System Ziehapparat vorgestellt, wobei die Betrachtung des Tragverhaltens der Druckbolzen im Mittelpunkt steht. Resultat einer Reihenuntersuchung an Ziehkissen unterschiedlicher Bauart und Baugröße ist neben der Verifikation der Meßmethode eine vergleichende Betrachtung der ermittelten Genauigkeitskennwerte (Kippzahl, Steifebeiwerte Kippung und Verlagerung, sowie Anfangskippung und -verlagerung) für den statischen Belastungsfall. Für die dynamische Krafteinleitung werden der Einfluß der Hubzahl und die Auswirkungen des Phänomens Auftreffstoß diskutiert. Der Vergleich der Genauigkeitskennwerte von Pressen-Stößel und Tischziehkissen zeigt deutlich größere Kippzahlen für den Stößel, aber kleinere Werte hinsichtlich der nennkraftbezogenen Steifebeiwerte. Als wesentliche konstruktive Einflußgröße auf die Kippsteifigkeit eines Ziehkissens wird die Führungslänge erkannt. Weiterhin zeigen Ziehkissen mit einer 8-fach-Seitenführung ein günstigeres Verhalten in bezug auf die Kippungseigenschaften als solche mit 0-Führungen. Die Einstellung des Führungsspieles beeinflußt dabei die Beträge der Anfangseffekte, nicht jedoch die elastischen Anteile von Kippung und Verlagerung. Die experimentelle Analyse des Auftreffstoßes bei außermittiger Krafteinleitung in das Ziehkissen zeigt eine unterschiedlich ausgeprägte Abhängigkeit des Betrages der Kraftüberhöhung von der Belastungsposition und der Hubzahl der Presse. Als Grund wird die Schwingungsanregung des Kissenkörpers angesehen. Es wird festgestellt, daß die spezifische Auslegung der Ziehkissensteuerung für das Verhalten beim Auftreffvorgang entscheidend ist. Ein diesbezüglicher genereller Vorteil von hydraulisch betriebenen Ziehanlagen gegenüber pneumatischen Ausführungen läßt sich für die untersuchten Pressen nicht bestätigen. Die Untersuchung der elastischen Wechselwirkungen im System Ziehapparat (Ziehkissen, Druckbolzen und Blechhalter) für den Fall einer außermittig angreifenden Resultierenden der Ziehkraft erfolgt mit Hilfe eines Modellwerkzeuges. Die erwartete ungünstige Beeinflussung der geometrischen Verhältnisse im Werkzeug während des Ziehvorganges kann nachgewiesen werden. Weiterhin wird erkannt, daß ein reiner Ausgleich der vertikalen Spiele (durch Abweichungen der Bolzenlänge oder Einarbeitungen an den Aufstandsflächen) keine wesentliche Verbesserung des Tragbildes der Druckbolzen bewirkt. Umfangreiche Parameterstudien an einem Produktionswerkzeug zeigen die Auswirkungen eines außermittigen Einbaus im Einbauraum der Presse. Es wird aufgezeigt, daß der Zusammenhang zwischen dem aus Angriffsort und Betrag der Resultierenden der Niederhaltekraft gebildeten Moment und der dadurch bewirkten Kippung des Ziehkissens durch die Ergebnisse der Kennwertbestimmung herzustellen ist. Durch gezielte Längenjustage der Druckbolzen läßt sich auch bei ungünstigen Einbaubedingungen des Werkzeuges ein einwandfreies Ziehteil produzieren. Die elastischen Vorgänge im Ziehapparat, die in ihrer Wechselwirkung mit dem Ziehstößel zu einem Versagen des Ziehteils führen, lassen sich durch Versagensmechanismen beschreiben. Es zeigt sich hierbei eine Abhängigkeit von der Einbaulage des Werkzeuges, des Angriffsortes der Ziehkraft sowie des Verhältnisses von Niederhaltekraft und Ziehkraft. Experimente an einem Ziehwerkzeug in der laufenden industriellen Produktion bestätigen die gefundenen Ergebnisse und führen zu der Erkenntnis, daß Schwankungen der Niederhaltekraft Umlagerungseffekte im Bolzentragbild hervorrufen können, die zu einem Versagen des Ziehteils durch Einschnürungen und Reißer im Blechwerkstück führen. Zur Steigerung der Fertigungssicherheit und der Reproduzierbarkeit der Einstellparameter wird ein Überwachungssystem zur Erfassung der Traganteile im Druckbolzenbild eines Ziehwerkzeuges vorgestellt. Als Thematik die einer weiteren Vertiefung bedarf, läßt sich zum einen die Untersuchung und Optimierung des Schwingungsverhaltens des Ziehkissenkörpers in Bezug auf den Auftreffstoß nennen. Einen anderen Lösungsansatz stellt die Optimierung der Vorlaufsteuerung an Ziehkissenanlagen einfachwirkender Pressen hinsichtlich einer definierten Begrenzung des Auftreffimpulses dar.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden zwei hydraulische Pressen unterschiedlicher Bauart und Baugröße bezüglich ihres Betriebsverhaltens insbesondere hinsichtlich ihres energetischen Verhaltens untersucht und mit Exzenterpressen verglichen. Betrachtet werden die Teilwirkungsgrade der eingesetzten Subsysteme sowie der Pressen-Gesamtwirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Hierzu erfolgt zunächst die Definition geeigneter Systemgrenzen für die energetische Untersuchung der einzelnen Bauelemente wie des Gesamtsystems. Weiterhin werden Beziehungen und Definitionen für ein den Exzenterpressen vergleichbares Arbeitsvermögen hydraulischer Pressen aufgestellt sowie der Nutzungsgrad-Hub zur Erfassung des einstellbaren Arbeitshubes eingeführt. Es zeigt sich, dass von einer, bei hoher Kraftanstiegsgeschwindigkeit zu Beginn des Umformvorganges auftretenden Leistungsüberhöhung kein wesentlicher negativer Einfluss auf das energetische Pressen-Verhalten ausgeht; dass insbesondere jedoch ein ungünstiger Antriebswirkungsgrad bei hohen Systemdrücken den Pressenwirkungsgrad bestimmt. Der Grund hierfür liegt bei dem schlechten Pumpenwirkungsgrad unter diesen Betriebsbedingungen. Detailliert untersucht werden neben der Umformphase auch die Leerhubphasen im Vor- und Rücklauf sowie die Haltephase unter Last. Der Gesamtwirkungsgrad für den kompletten Ablaufzyklus der Presse zeigt eine starke Abhängigkeit vom Energieumsatz in diesen Phasen. Eine Variation der Arbeitsgeschwindigkeit erweist günstige energetische Bedingungen bei mittlerer Geschwindigkeitseinstellung mit nur geringer Verschlechterung bei Maximaleinstellung. Das bei hydraulischen Pressen übliche Fahren auf feste Anschläge bedingt schon bei geringen Haltezeiten unter Last einen erheblichen Energieumsatz und damit eine negative Beeinflussung des Pressenwirkungsgrades. Fernerhin wird der Vergleich zwischen den untersuchten hydraulischen Pressen und bereits im Rahmen des Vorläuferprojektes betrachteten Exzenterpressen vorgenommen. Kriterium des Vergleiches ist die Wirtschaftlichkeit des Presseneinsatzes, gekennzeichnet durch das energetische Verhalten und die erbrachte Mengenleistung, bei der Fertigung eines identischen Werkstückes und die baugrößenbezogene pressenspezifische Beurteilung des Energieumsatzes der betrachteten Pressentypen. Die rechnergestützte Simulation des Pressen-Betriebsverhaltens lässt sich mit einem vereinfachten Rechenmodell realisieren. Es wird derart eine praxisgerechte Alternative zu aufwendigen komplexeren Programmsystemen aufgezeigt. Mittels einer numerischen Lösung der das System beschreibenden Simulationsalgorithmen kann für beliebige Umformverfahren und Pressen-Einstellungen der Pressen-Gesamtwirkungsgrad in abschätzender Weise bestimmt werden. Grundlage sind Herstellerkennlinien der wichtigsten Subsysteme. Die Anwendbarkeit des Rechenmodelles bestätigt sich; eine Steigerung der Rechengenauigkeit ist nur durch aufwendige messtechnische Aufnahme aller relevanten Betriebskennlinien im Einzelfall realisierbar. Insgesamt stellt die Methode ein geeignetes Hilfsmittel für die Optimierung der Einstellparameter durch den Pressen-Betreiber dar und gibt andererseits dem Konstrukteur Hinweise auf eine energetisch günstige konstruktive Auslegung einer hydraulischen Presse.