Rechnergestützte Fertigung von Sonderprofilen auf der Radialumformmaschine

Umformende Fertigungsverfahren zeichnen sich im allgemeinen durch bestmögliche Werkstoffausnutzung, Verbesserung der Werkstoff- und/oder Werkstückeigenschaften sowie kleine Stückzeiten bzw. hohe Produktivität aus /l/. Diesen Vorteilen stehen die normalerweise hohen Werkzeug- und Maschinenkosten gegenüber, so daß ein wirtschaftlich vertretbarer Einsatz erst bei relativ hohen Gesamtstückzahlen sinnvoll erscheint. Auf der anderen Seite gibt es auch Umformverfahren, besonders aus der Verfahrensgruppe des Freiformens, die, oft mit historisch handwerklichem Hintergrund, für die Produktion kleiner Stückzahlen geradezu prädestiniert sind.

Flexible Fertigungssysteme gehören zu den automatisierten Fertigungssystemen zur Herstellung von Stückgütern. Diese sind durch eine untereinander verbundene Anordnung von Maschinen und/oder zugehörigen Betriebseinrichtungen und durch Mittel zum selbsttätigen Transport der Werkstücke gekennzeichnet. Im Maschinenbau beinhaltet ein solches System im Regelfall Werkzeugmaschinen, Peripherie, Transporteinrichtung, hierarchisch geordnete Rechnerstrukturen und oft auch rechnergestützten Arbeitsablauf und Planungshilfsmittel /1/. Diese Systeme werden zunehmend bei der Herstellung von prismatischen und rotationssymmetrischen Teilen in kleinen und kleinsten Stückzahlen eingesetzt. Dabei kommen in der überwiegenden Mehrzahl spanende Bearbeitungsverfahren zum Einsatz. Bisher sind umformende Verfahren in solchen Systemen nur sehr vereinzelt anzutreffen. Sie sind allenfalls als mögliche Systemkomponente verfügbar.

Das Radialumformen wurde ursprünglich als ein rein kinematisches Formgebungsverfahren konzipiert. Dabei beschränkt sich das herstellbare Werkstückspektrum auf wellenartige, längsachsenbetonte Teile mit rotationssymmetrischem Querprofil. Ein zusätzlich installiertes Werkzeugwechselsystem schuf die Möglichkeit, die Werkzeuge durch Anpassung der Geometrie der ebenen Werkzeugwirkfläche (Werkzeuglänge und Werkzeugbreite) im Hinblick auf eine kurze Bearbeitungszeit und einen optimierten Werkstofffluß bestmöglich an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen. Andrerseits erscheint es naheliegend, bei einer neuen Gruppe von Werkzeugen einen Teil der Information über die Werkstückgestalt in das Werkzeug zu integrieren. So entsteht das Radialumformen mit teilweiser Formbindung. Im Querprofil tritt dabei eine bezüglich der Profilform (z. B. Doppel-T-Querprofil) an das Werkzeug gebundene Gestalterzeugung auf, während die Abmessungen im Querprofil in bestimmten Grenzen von der Stößelposition und somit von der Maschinenbewegung abhängig sind. Das Längsprofil entsteht durch kinematische Gestalterzeugung, die von Manipulator- und Stößelposition bestimmt wird.

Die Forderungen nach kostengünstiger Herstellung kleiner Stückzahlen, Werkstoffersparnis und hoher Festigkeit führen bei der Herstellung hochwertiger Bauteile in der metallverarbeitenden Industrie zur Entwicklung automatisierbarer Umformverfahren für kleine Stückzahlen. Für komplex geformte Geometrien erscheint eine Kombination von abformender und kinematischer Gestalterzeugung geeignet, um die oben genannten Forderungen durch niedrige Werkzeugkosten mit universell verwendbaren Werkzeugen, optimale Werkstoffausnutzung durch weitgehend umformende Bearbeitung bei minimaler spanender Nachbearbeitung und hohe Festigkeit durch ununterbrochenen Faserverlauf zu erfüllen. Im Abschnitt 2.3.1 wurden Möglichkeiten zur umformenden Herstellung von Sonderprofilen dargestellt. Für kleinere Stückzahlen kann das Rundkneten und das Radialumformen als geeignet angesehen werden. Zum Rundkneten wird eine weggebundene Vier-Stößel-Schmiedemaschine eingesetzt, die durch ihre Umformkinematik und die Werkzeugform im Längsprofil mit Einlaufschrägen und im Querprofil durch starke Formbindung bei geringen Eindringtiefen pro Hub, nur eine geringe Flexibilität möglich macht. Der Einsatz hydraulischer Pressen mit vierseitiger radialer Krafteinleitung zur umformenden Herstellung von Profilen beschränkte sich bisher darauf, mit einer konventionellen Presse eine Vorrichtung zur vierseitigen Krafteinleitung anzutreiben /48/.

Die Verfahrensanalyse zur Herstellung von Sonderprofilen durch Radialumformen soll, nachdem die vereinfachte elementare Betrachtung eine grobe Vorausbestiranung der entstehenden Geometrie ermöglicht, Informationen zum Umformvorgang im Inneren des Werkstücks bereitstellen. Auf diesem Wege werden die Voraussetzungen geschaffen, den Arbeitsabiaufplan so zu gestalten, daß das umgeformte Werkstück neben der erforderlichen Geometrie auch Qualitätsanforderungen wie Durchschmiedung bis in den Kern, gleichmäßige Formänderung und optimaler, ununterbrochener Faserverlauf erfüllen kann. Zur Ermittlung von Formänderungen werden die visioplastische Methoba und, bei für diese Methode nicht zugänglichen Werkstückbereichen, Härtemessungen verwendet. Der Faserverlauf wird mit metallographisehen Schliffen verdeutlicht.

Ein rationeller Einsatz der Radialumformnaschine setzt eine rechnergestützte Arbeitsabi aufplanung bzw. Fertigungsdatenbestimmung (NC-Datenerstellung) voraus /14/. Die Komplexität des zu fertigenden Teilespektrums und die Kinematik des Verfahrens müssen innerhalb der zu entwickelnden Programmsysteme bewältigt werden. Der Aufbau dieser rechnergestützten Programmiersysteme zur NC-Datengenerierung erfolgte entsprechend den Entwicklungsstufen bei der Schaffung des erweiterten Teilespektrums. Grundvoraussetzung für die Entwicklung der Bearbeitungsdaten für eine neue Teilegeometrie ist ein einfaches, interaktives Kommunikationssystem (Programmsystem NCPR0G)/12/, das die werkstückbezogenen Werkzeugpositionen und die zugehörigen Maschinenfunktionen in maschinenbezogene Bewegungen umsetzen kann. Die konsequente Weiterentwicklung besteht dann im Aufbau eines Programmsystems, das, ausgehend von der gewünschten Werkstückgeometrie, der Werkzeuggeometrie und den technologischen Randbedingungen,die Bearbeitungsdaten zur Herstellung eines Werkstücks erstellt (Programmsystem PROSOP).

Aus der Vielzahl der Untersuchungen und deren Ergebnissen dieser Arbeit über das Radial umformen von Sonderprofilen sind hier stichwortartig die für die Fertigung wichtigen Erkenntnisse aufbereitet.

Unter dem Gesichtspunkt der Perspektiven sollen noch zwei Arbeitsgebiete skizziert werden, die hinsichtlich Werkstückspektrum und Arbeitsabiaufplanung eine Weiterführung darstellen. Diese Gebiete konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht ausführlich behandelt werden.

Das Kadialumformen von Sonderprofilen ist eine Kombination von abformender und kinematischer Gestalterzeugung und basiert auf den Erkenntnissen über das Radialumformen von rotationssymmetrischen Querprofilen. In dieser Arbeit wurden als mögliche Profilformen das Doppel-T-, das Doppel-Y- und das Kreuzprofil näher untersucht. Das Gesetz der Volumenkonstanz und die vereinfachende Annahme eines rein axialen Werkstoffflusses aufgrund der starken Werkzeugumschließung im Querprofil sowie das Prinzip der gleichmäßigen Umformung der den einzelnen Werkzeugwirkrichtungen zugeordneten Querprofilteilflächen bestimmen zusammen mit den verfügbaren Werkzeuggeometrien die entstehende Werkstückgestalt.