Das klassisch gezogene Bauteil (links) versagt zeitig; das mit identischen Randbedingungen durch Synchroziehen hergestellte Bauteil (rechts) zeigt eine deutlich höhere Ziehtiefe, wobei im Flanschbereich eine niedrigere Ebenheit akzeptiert werden muss.

(Bilder: Fraunhofer IWU)

Schematische Darstellung der Bewegungsverläufe der Werkzeuge beim Synchroziehen.

Servo-Spindelpresse am Fraunhofer IWU Dresden mit 200 t Nennpresskraft.

Synchroziehen mit Servo-Spindelpressen

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Seit Jahrzehnten ist das schwingungsüberlagerte Tiefziehen bekannt. Eine Version dieses Umformverfahrens ist das am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen in Chemnitz (IWU) entwickelte Synchroziehen. Dort wurde auch die dazu passende Servo-Spindelpresse entworfen und von der Dunkes GmbH realisiert. Moderne Servo-Spindelpressen sind in der Lage, genau dann den Ziehvorgang zu realisieren, wenn die Flächenpressung im Flansch niedrig ist und umgekehrt.

Servo-Kurbelpressen bieten den Vorteil, dass individuelle Bewegungsprofile des Stößels programmiert werden können. In Deutschland wird diese Pressenbauart seit 2007 verstärkt vertrieben. Zeitvorteile ergeben sich vor allem im blechkontaktfreien Pressenhub. Der eigentliche Umformvorgang bleibt weitgehend unverändert. Für hochdynamische Anwendungen sind die Möglichkeiten der Servo-Kurbelpressen wegen der großen rotatorischen Trägheit im Anstriebsstrang jedoch begrenzt.
Hier können Servo-Spindelpressen neue Anwendungsfelder erschließen. Bei dieser Pressenbauart erfolgt die Wandlung der drehenden Motorbewegung in eine lineare Stößelbewegung über eine Antriebsspindel. Durch diese Antriebsstrategie werden die rotatorischen Messeträgheiten reduziert und es sind höhere Beschleunigungen der Werkzeuge möglich.
Auch das Ziehkissen folgt dem gleichen Konzept. Damit kann der Ziehapparat im Verdrängerbetrieb energierückgewinnend als Generator genutzt werden. Auch im Stößel wird beim Bremsen die Energie rückgespeist.
Aus technologischer Sicht ergeben sich durch die hohen Ruck- und Beschleunigungswerte neue Möglichkeiten zur Prozessauslegung. Es lassen sich beispielsweise mechanische Schwingungen überlagern und Werkzeugbewegungen synchronisiert steuern. Damit kann unmittelbar in den Prozess eingegriffen werden.
Die am Fraunhofer IWU eingesetzte Servo-Spindelpresse ist stößelseitig mit vier Achsen plus Stößelauswerfer und kissenseitig mit vier weiteren Achsen ausgerüstet. Umgesetzt wird das Pressenkonzept mit mechanischen und elektronischen High-Tech-Komponenten, beispielsweise Rollengewindetrieben und Torque-Motoren. Ein entscheidendes Element stellt die Steuerung dar, die komplexen Anforderungen genügen muss. In der Softwarestruktur werden Funktionalität, Bedienung und Arbeitssicherheit abgestimmt.

Mit den technologischen Möglichkeiten dieses Pressentyps untersucht das Fraunhofer IWU eine Verfahrensvariante des Ziehens, die durch Elemente des niederhalterlosen Ziehens und des pulsierenden Ziehkissens gekennzeichnet ist – das „Synchroziehen“. Das niederhalterlose Tiefziehen ist seit Mitte des letzten Jahrhunderts im Einsatz.. Im „pulsierenden Ziehkissen“ nach einem Patent der Firma Fiat von 1994 werden tischseitig Schwingungen aufgebracht.

Eine synchronisierbare Schwingung von Stößel- und Kissenachsen ist bisher nicht möglich. Damit unterliegt der Ziehvorgang beim „pulsierenden Kissen“ einer zwischen Maximal- und Minimalwert schwankenden Flächenpressung. Dabei tritt mit kontinuierlicher Stößelbewegung die höchste axiale Zugspannung in der Zarge bei maximaler Flächenpressung auf. Hier startet der Versagensbeginn durch Einschnürung.
An diesem Punkt liegt der Ansatz des Synchronziehens. Kurz vor Erreichen der versagensrelevanten Flächenpressung wird der Ziehfortschritt durch synchronisierte Geschwindigkeitsprofile de Achsen verlangsamt beziehungsweise unterbrochen. Kissen und Stößel schwingen somit phasenverschoben und verringern dadurch die schadensverursachenden Zugspannungsspitzen in der Zarge. Je nach kritischer Zargenbelastung werden die Anzahl dieser Schwingzyklen (zum Beispiel 50 Zyklen), der schwingungsüberlagerte Anteil am Ziehvorgang (beispielsweise 30 Prozent des Ziehweges) und der Zeitbereich (zum Beispiel 60 – 90 Prozent des Ziehweges) angepasst.
Ein Schwingzyklus lässt sich in eine erste Phase mit minimaler Flächenpressung und hohem Ziehfortschrift und eine zweite Phase mit hoher Flächenpressung und gebremstem Ziehvorgang unterteilen. Der Bewegungszyklus wir solange überholt, bis nach Überschreiten des Ziehkraftmaximums der normale Ziehvorgang versagensfrei fortgesetzt werden kann. Die Prozessparameter (z. B. Amplituden) werden variiert, um der Faltenbildung entgegenzuwirken. Gegenwärtig erfolgt die Ermittlung Prozessparameter empirisch.
Das Verfahren wurde in bisherigen Versuchen mit einer Frequenz von 10 bis 30 Hz und zugehörigen Amplituden von 1 bis 0,2 mm eingesetzt. Erste Untersuchungsergebnisse zum Synchroziehen mit verschiedenen Geometrien aus Stahl und Aluminium sind erfolgversprechend. Es konnten größere Ziehtiefen als in konventionellen Verfahren erreicht werden. Eine geringere Ebenheit vor allem im Flanschbereich schränkt den Anwendungsbereich auf Strukturbauteile ohne optische Anforderungen ein. Falten 2. Art in konischen Zargenbereichen wurden bisher nicht untersucht.
Die Vorteile sind:

– deutlich höhere Ziehtiefe,
– Erhöhung der Prozesssicherheit,
– Einsparmöglichkeit Schmierung,
– Einsparmöglichkeit Blechgüte,
– Einsparmöglichkeit Energie,
niedrigere Ziehkräfte.

Die Ergebnisse der bisher durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen die Notwendigkeit weiterer experimenteller und numerischer Untersuchungen in den Bereichen Prozessführung und Maschinentechnik auf. Die Akzeptanz neuer hochdynamischer Technologien hängt im Wesentlichen von den verfügbaren Methoden zur Prozessauslegung ab. In diesem Spannungsfeld besteht beispielsweise die Herausforderung hochdynamische Vorgänge zutreffend beurteilen und prognostizieren zu können. So entstanden aus maschinentechnischer Sicht Fragestellungen zum verfahrensgerechten Betrieb und zur Gestaltung von Servo-Spindelpressen. In verschiedenen aktuellen Forschungsvorhaben untersucht das Fraunhofer IWU gemeinsam mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der TU Dresden Methoden zur Auslegung solcher hochdynamischer Prozesse sowie das Anwendungspotenzial von Servo-Spindelpressen.
Reinhard Mauermann, Peter Müller
Eine ausführliche Version des Artikels ist in www.utfscience.de veröffentlicht.