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Biegen

Aktiver Faltenglätter für das Rotationszugbiegen

Dipl.-Ing. Christian Mathes

Rohre werden zur Leitung von Fluiden verwendet und haben sich ebenfalls als Konstruktions- und Strukturelemente bewährt. Es gibt eine Vielzahl an Biegeverfahren, um Biegebauteile herzustellen. Ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von engen Rohrbögen ist das Rotationszugbiegen, siehe Bild 1:

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Bild 1: Beginn des Biegevorgangs (links), 90°-Biegung (rechts) 
 

Beim Rotationszugbiegen werden Biegeform, innere und äußere Spannbacke sowie Gegenhalterwerkzeug benötigt. Bei anspruchsvolleren Biegeaufgaben werden ein im Rohr befindlicher Dorn sowie ein Faltenglätter verwendet. Dieser ist auf der Bogeninnenseite an der noch geraden Seite des Rohres positioniert, reicht bis zum Kontaktpunkt des Rohres mit der Biegeform und lässt keinen Raum zur Falten­entstehung.

Wird der Biegeradius kleiner und die Wanddicke des Bauteils geringer steigt die Gefahr von Faltenbildung am Rohrinnenbogen. Um die Faltenbildung zu verhindern, werden höhere Kräfte zwischen Dorn und Faltenglätter zur Abstützung der Rohrwandung benötigt. Dadurch nehmen die Werkzeugbelastungen und damit auch der Werkzeugverschleiß zu. Ein sehr verschleißbehaftetes Werkzeugbauteil beim Rotationszugbiegen ist der Faltenglätter. Kleine Fertigungsfehler der Kontur oder ein nicht optimal eingerichteter Faltenglätter können hohen Verschleiß und Faltenbildung am Rohr zur Folge haben.

Rotationszugbiegen und Faltenverhinderung

Um ein Rohr mittels Rotationszugbiegen zu biegen, wird es vor dem Biegen zuerst zwischen innerer- und äußerer Spannbacke geklemmt. Dabei ist die innere Spannbacke fest mit der Biegeform verbunden. Nach der Klemmung des Rohres zwischen den Spannbacken wird das Rohr bei der Rotation des Biegearms um die Biegeschablone gezogen.

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Bild 2: Simulierte aktuell anliegende Spannungsverteilung im Rohrbogen (Major Stress-Membrane) 

Durch das Biegen wird eine Spannungs- und Dehnungsverteilung in den Querschnitt eingeleitet (Bild 2). Das Material wird am Außenbogen durch Zugspannungen gestreckt (rötliche Farben) und am Innenbogen durch Druckspannungen gestaucht (blaue Farbtöne).

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Bild 3: funktionsfähiger Faltenglätter mit Gebrauchsspuren 
 

Wird beim Stauchen des Materials eine kritische Druckspannung am Innenbogen überschritten, beginnt die Faltenbildung. Der Faltenglätter stützt die Rohrwand im Zusammenspiel mit dem im Rohr befindlichen Dorn (ist im Bild nicht abgebildet). Die heutige Konzeption des Faltenglätters führt konstruktionsbedingt zu einem dünnen Materialauslauf (Bild 3), der durch Normal- und Schubkraft hoch beansprucht wird. Diese Last und die extreme Geometrie führen zu starkem Verschleiß.

Alternatives Faltenglättersystem

Ein alternatives Faltenglättersystem basiert darauf, das Erreichen der kritischen Druckspannung durch Überlagerung einer Zugkraft in der Rohrlängsachse zu verhindern, siehe Bild 4.

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Bild 4: Einfluss durch die Sicke, Biegewinkel von 67°;
          oben Dehnungen unten Spannungen am Rohrinnenbogen 

Dabei wird der Werkstofffluss ähnlich wie beim Karosserieziehen durch eine Bremssicke gesteuert. Die Kontur der Sicke wurde an den durch die Biegeumformung eingeleite­ten Druckspannungsverlauf am Innen­bogen angepasst. Entwickelt wurde daher eine sichelförmige Kontur, die den Fließwiderstand entsprechend der beim Biegen entstehenden Druckspan­nung über dem Umfang berücksichtigt (Bild 6).

Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde die Funktionsweise des Konzepts beim Biegen von Rohren mit einem Durchmesser von 70 mm x 2 mm und einem Biegeradius von 105 mm nachgewiesen.

Für den Abgleich von Simulations­ergebnissen und Versuchen wurden die Wanddicken am Innen- und Außenbogen betrachtet. Um zu prüfen, ob die Bremswirkung am Innenbogen den Außenbogen beeinflusst, wurde mit und ohne aktiven Rohrvorschub simuliert.

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Bild 5: Simulierter Wanddickenverlauf bei unterschiedlichen Sickenzustellungen (a)
          gemessene Wanddicken mit einer Sickenzustellung von 2,5 mm (b)
 

In Bild 5-A werden verschiedene Sickenzustellwege von 1 mm (Kurven I10, A10) bis 2 mm (Kurven I20, A20) und deren Einfluss auf Innenbogen (I) und Außenbogen (A) dargestellt. In dem Diagramm ist eben­falls ein Wanddickenverlauf für einen aktiven Rohrvorschub von 165 mm (Kurven I20-165, A20-165) zu sehen.

Beim Zustellen der Sicke wird die Aufdickung am Innenbogen reduziert Die Abstreckung am Außenbogen vergrößert sich jedoch. Somit wird der Rohrnachlauf durch die Sicke über den gesamten Umfang gebremst. Wird ein vorgegebener Rohrvorschub eingestellt (20-165), so verringert dies die Abstreckung am Außenbogen. Am Innenbogen ergibt sich ein geringer Einfluss, wobei eine sehr starke Stauchung im Sickenbereich auftritt.

Zur Ermittlung der Wanddicke bei den Versuchsbauteilen sind die Dickenverläufe von Außen- und Innenfaser taktil vermessen worden. Die gemessenen Wanddicken an den Versuchsbauteilen sind in Bild 5-B dargestellt.

Um die noch vorhandenen Wellen im Innenbogen bei voller Sickenzustellung zu beseitigen, wurde der Vorschub des Rohrtransportes um ca. 10 % auf 150 mm reduziert. Mit diesen Einstellungen konnten faltenfreie Biegungen durchgeführt werden.

Ausblick

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Bild 6: ausgeführtes Funktionsmuster 

Bisher wurden in den FE-Simulationen mit starren Werkzeugen gerechnet. In der Realität unterliegt jede Werkzeugmaschine einer elastischen Verformung. Auch die Werkzeuge selbst werden durch die anliegenden Prozesskräfte elastisch verformt. Die Verlagerung der Werkzeuge unter der Umformlast werden mit zusätzlicher Messtechnik aufgenommen und später im Simulationsmodell berücksichtigt.

Für das neue Faltenglätterkonzept werden weitere Untersuchungen hinsichtlich der Geometrie der Sicke durchgeführt, um auf die Falten­glätterschale zu verzichten. Des Weiteren soll die Anwendbarkeit einer Sickengeometrie für unterschiedliche Rohrdurchmesser geprüft werden.

Das Ziel der Forschung für den Einsatz des aktiven Faltenglätters, ist eine Prozessregelung für unterschiedliche Biegeaufgaben. Die Regelung soll anhand von statischen und prozessbedingten Belastungen die Zustellung der Sicke regeln.

Demo-Film "Aktiver Faltenglätter"

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