Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH)
Fachbereich Maschinen- und Energietechnik
Studiengang Maschinenbau
Studienrichtung Konstruktion

Konstruktion eines 3D- Schwenkbiegeautomaten

Diplomarbeit

vorgelegt von: Michael Krokowski
vorglegt im: August 2004

Inhalt

1 Einführung ... 9

2 Begriffserklärung ... 11
2.1 Umformen ... 11
2.2 Definition Biegen ... 14
2.3 Abkanten ... 15
2.3.1 Freies Biegen ... 15
2.3.2 Prägebiegen ... 16
2.3.3 Drei- Punkt- Biegen ... 18
2.4 Biegewinkelmessung ... 19
2.5 Mindestbiegeradius ... 20
2.6 Rückfederung ... 21
2.7 Schwenkbiegen ... 23

3 Prinzipfindung und Ausarbeitung ... 25
3.1 Kurvensteuerung ... 27
3.1.1 Zwangslaufsteuerung ... 29
3.1.2 Konstruktion der Kurve ... 30
3.1.3 Funktionsprinzip Kurvensteuerung ... 32
3.2 Segmentierung des Niederhalters ... 34

4 Kräfte beim Biegen ... 36

5 Berechnung des Zahnsegments ... 38

6 Antriebsdimensionierung ... 41
6.1 Schwenkmotorantrieb ... 41
6.2 Hubgetriebeantrieb ... 45
6.2.1 Berechnung des erforderlichen Antriebsdrehmomentes ... 47
6.2.2 Verfahrzeit für den gesamten Hub ... 48
6.2.3 Hubgetriebemotorenauswahl ... 49

7 Theoretische Grundlagen zur FEM ... 50
7.1 Die Finite Element Methode ... 50
7.2 Verschiebungsansatz – Finite Elemente des elastischen Kontinuums ... 51
7.3 Der CATIA ELFINI Solver ... 54
7.3.1 Der Gauß- Algorithmus ... 55
7.3.2 Das Gradientenverfahren ... 55
7.4 Möglichkeiten der Vernetzung ... 56
7.4.1 Beam- Elemente (1D- Elemente) ... 56
7.4.2 Schalen Elemente (2D- Elemente) ... 56
7.4.3 Tetraeder- Elemente (3D- Elemente) ... 56
7.5 Strategien bei der FEM- Analyse ... 57
7.5.1 Qualitative Prüfung der Ergebnisse ... 57
7.5.2 Variantenvergleich bei verfeinertem Netz ... 57
7.5.3 Lokale Spannungen ... 58
7.6 Definition der Randbedingungen ... 59
7.7 3D- Elemente zur Vernetzung ... 60
7.7.1 Lineare Tetraeder- Elemente oder TE4 ... 60
7.7.2 Parabolische Tetraeder- Elemente oder TE10 ... 60
7.7.3 Unterschiede zwischen den TE4- und dem TE10- Elementen ... 61
7.8 Adaptivitätskontrolle ... 62

8 FEM- Berechnungen mit Hilfe von CATIA ... 63
8.1 Vorgangsweise bei der Berechnung ... 63
8.2 Auswertung der Ergebnisse ... 64
8.2.1 VonMises- Vergleichsspannung ... 64
8.2.2 Darstellung der Verformung ... 64
8.2.3 Darstellung der Hauptspannungen ... 64
8.2.4 Darstellung der Genauigkeit ... 64
8.3 FEM- Analysen ... 65
8.3.1 Biegekraft am Blech ... 65
8.3.2 Balkensegment ... 68
8.3.3 Niederhalterträger ... 73
8.3.4 Biegetisch ... 76
8.3.5 Niederhalterbalken ... 78
8.3.6 Kopfgestell ... 80
8.3.7 Grundgestell ... 82

9 Funktionsprototyp ... 85
9.1 Versuchslauf ... 85
9.2 Drehbar gelagerte Biegeschiene ... 88
9.3 Entwicklung der neuen Kurvensteuerung ... 90
9.4 FEM- Simulation der drehbaren Biegelinie ... 92
9.4.1 Ausgangsstellung 0 Grad ... 93
9.4.2 Blechwinkel 45 Grad ... 95
9.4.3 Endstellung des Biegevorgangs ... 97

10 Zusammenfassung ... 99

11 Glossar ... 101

12 Quellen ... 102
12.1 Literaturverzeichnis ... 102
12.2 Normen ... 103
12.3 Herstellerkataloge ... 103
12.4 Internetzitat ... 103

Anhang ... 108

1 Einführung

Einer ökonomischen Produktion steht ein ökologisches Verhalten gegenüber. Bei der Konstruktion von Werkzeugen sollten dahingehende Aspekte vom Konstrukteur berücksichtigt werden, ohne dabei die Zielsetzung aus den Augen zu verlieren.
Zu diesen Zielen gehören die Funktionstüchtigkeit, die geeignete Material- und Energieausnutzung, die Recycling- Fähigkeit und auch ein ansprechendes Aussehen.

Für jede Aufgabe gibt es unterschiedliche Lösungen. Die Qualität einer Lösung wird durch die Anpassungsfähigkeit an die gestellten Anforderungen und die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten bestimmt. Ebenso wie in der Natur ändert sich auch in der Technik die Anforderung laufend.

Das Kapitel der Blechverformung durch Biegen oder Abkanten stellt ein ebenso einfaches wie auch komplexes Thema dar.

In der Blech verarbeitenden Industrie ist, in neuerer Zeit, ein immer stärker werdender Trend zu komplexen hochgenauen Blechbiegeteilen mit hoher Funktionsintegration entstanden. Zur technologischen Umsetzung solcher Bauteile werden unter anderem standardmäßig Abkantpressen eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Automatisierung stehen auch Biegebearbeitungszentren, mit einer computerunterstützten CNC- (Computerized Numerical Control) Datenverarbeitung zur Verfügung, die einen vollautomatischen Arbeitsablauf zulassen.

(Abbildung 1.1: MULTIBEND-CENTER RAS 79.22 – 2 [19] - in der Downloadversion enthalten)

Solche Bearbeitungszentren stellen aber eine starke kapitalintensive Belastung für den einsetzenden Betrieb dar, insbesondere dadurch, dass die Losgrößen immer kleiner werden, wobei die Variantenvielfalt zunimmt. Außerdem sollen die Planungsqualität erhöht und die Planungszeiten in der Arbeitsvorbereitung verkürzt werden.

Es hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass das Interesse an automatisierter Schwenktechnik weltweit stark gestiegen ist. Das Schwenkbiegen stellt sich als besonders interessant dar, da es weniger werkzeug- und arbeitsintensiv ist, als dass Gesenkbiegen, wobei die Biegequalität steigt. Schwenkbiegen ist die ideale Biegetechnologie für kleine und mittlere Losgrößen.

(Abbildung 1.2: 3D- Schwenkbiegeautomat  - in der Downloadversion enthalten)

2 Begriffserklärung

2.1 Umformen

Nach DIN 8580 /11/ ist Umformen die gezielte Änderung der Form, der Oberfläche und der Werkstoffeigenschaften eines Werkstücks unter Beibehaltung von Masse und Stoffzusammenhang.

In der Abbildung 2.1 werden die Möglichkeiten der Formänderung durch Einwirken von Zug- oder Druckkräften auf einen Werkstoff dargestellt. Zugkräfte bewirken eine Verlängerung des Werkstoffs, Druckkräfte hingegen eine Verkürzung. Kräfte bewirken allgemein Formänderungen bei festen Werkstoffen.

Beim Umformen wird grundsätzlich in die zwei Arten, elastische oder plastische Verformung, unterschieden.
Bei der elastischen Verformung nehmen die Werkstücke, nach einer aufgebrachten Verformung und deren Entlastung, wieder ihren Ausgangszustand an, siehe Abbildung 2.2.

(Abbildung 2.2: Elastische Verformung [24]  - in der Downloadversion enthalten)

Durch eine mechanische Beanspruchung werden im Werkstoff Reaktionskräfte erzeugt, die mit den äußeren Kräften im Gleichgewicht stehen. Die auf die Flächeneinheit bezogenen Reaktionskräfte bezeichnet man als Spannungen. Der im Werkstoff vorliegende Spannungszustand kann ein-, zwei- oder dreiachsig sein, wobei der Grad der Mehrachsigkeit vor allem von der an Kerben oder Rissen behinderten Querdehnung bestimmt wird.

Die elastischen Verformungen eines Werkstoffs beruhen auf einer zeitweiligen Entfernung der Atome aus ihrer Bindung im Festkörper abhängigen Gleichgewichtslage. Der Elastizitätsmodul ist ein Maß für den dabei zu überwindenden Widerstand. Er ist für eine kovalente Bindung größer als bei der metallischen Bindung. Die enge Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und der Bindungsenergie kommt auch darin zum Ausdruck, dass Werkstoffe mit einer hohen Schmelztemperatur in der Regel einen hohen Elastizitätsmodul haben. Da die mittleren Atomabstände mit der Temperatur zu- und somit die Bindungsenergien abnehmen, zeigen die elastischen Konstanten eine mit steigender Temperatur fallende Tendenz.

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