Führungslose, miniaturisierte Maschine zur Herstellung kleiner Stanzteile unter Einsatz einer Resonanzantriebseinheit
Final Report Abstract
Gegenwärtig werden Schneidprozesse zur Herstellung von kleinen Bauteilen mit Abmaßen von wenigen Millimetern auf Schnellläuferpressen durchgeführt, deren Antriebskinematik gegenüber konventionellen Stanzautomaten modifiziert ist, sich jedoch bezüglich ihrer Abmaße nicht von diesen unterscheiden. Dies führt zu ungünstigen bauteilbezogenen Randbedingungen. Im Forschungsvorhaben „Führungslose, miniaturisierte Maschine zur Herstellung kleiner Stanzteile unter Einsatz einer Resonanzantriebseinheit“ wurde eine neuartige kompakte Scherschneidmaschine mit integrierten elektromagnetischen Aktoren zur Fertigung kleiner Bauteile entwickelt. Der im Vorhaben verfolgte Ansatz war, eine Verringerung des Missverhältnisses von Maschinen- und Bauteilgröße und die daraus resultierenden technischen und wirtschaftlichen Nachteile zu erzielen. Dies wurde durch Verlegung der steifigkeitsaufnehmenden Struktur der Presse in das Werkzeug erreicht. Dadurch konnte eine Erhöhung der Schnittkantenqualität beim Scherschneiden kleiner Teile erreicht werden. Mittels des Einsatzes regelbarer Aktoren und dem Betrieb des Systems in der jeweiligen Resonanzfrequenz wurde zudem eine wirtschaftliche und dennoch präzise Herstellung von kleinen Schneidteilen umgesetzt. Zu Beginn des Vorhabens erfolgten die Entwicklung und Fertigung einer neuartigen Schneidmaschine. Zur Auslegung der Maschine wurden dabei die Prozessbedingungen für die Fertigung kleiner und dünner Bauteile betrachtet. Die Hubrate wurde auf 1.800 1/min festgelegt. Die Auslegung der Bauteile erfolgte auf Basis umfangreicher FEM-Simulationen. Einen wesentlichen Aspekt bei der Entwicklung der Maschine stellte das Antriebskonzept zur Anregung des Stößels zu Schwingungen nahe dessen Resonanzfrequenz dar. Im Hinblick auf eine kompakte Bauweise wurden zum Antrieb aufgrund der höheren Energiedichte Elektromagnete gewählt. Die Dimensionierung der Magnete erfolgte anhand der zuzuführenden Energie von 40 J. Die Aktoren werden mit Strömen bis zu 40 A beaufschlagt, welche mithilfe von Magnetstromstellern, versorgt von einem Zwischenkreis mit einer Spannung von 600 V, geregelt werden. Für die Regelung der Maschine wurden Regelungsverfahren unterschiedlicher Komplexität und Anforderungen entwickelt und getestet. Auf Grundlage der vorangegangenen Arbeiten erfolgte die Erstellung eines Simulationsmodells des Gesamtsystems, welches das Feder-Masse System mit Reibung, Stromstellern, Induktionseffekten, Niederhalter- und Stößelaufprall, Schneidvorgang und Regelverfahren berücksichtigt. Mittels dieses Modells konnte eine detaillierte Simulation des Aufschwingvorgangs und des eigentlichen Schneidprozesses durchgeführt werden. Nach der Fertigstellung des Demonstrators bestehend aus Maschine und Werkzeug wurde im Versuchsbetrieb ein Bauteil in einer kleinen Serie gefertigt. Zum Vergleich der Betriebseigenschaften der neuartigen Schneidmaschine auf Basis eines Resonanzantriebs wurde das Demonstratorwerkzeug zusätzlich in einer konventionellen Exzenterpresse eingesetzt und betrieben. Schnittkantenuntersuchungen zeigten dabei eine höhere Schnittkantenqualität im Bereich des Kanteneinzugs und des Schnittgrats bei den auf der neuartigen Schneidmaschine hergestellten Bauteilen. Das Ziel einer Erhöhung der Schnittkantenqualität der Bauteile wurde somit mit dem neuartigen Konzept erreicht. Zudem wurden versuchsbegleitend Messungen mittels einer optischen Vermessungseinrichtung zur Ermittlung der Verlagerungseigenschaften des Stößels an beiden Pressen durchgeführt und gegenübergestellt. Bei der Schneidmaschine wurde eine Kippschwingung des Stößels festgestellt, die dem Hubverlauf überlagert ist. Die Schneidmaschine besitzt aufgrund der geforderten minimalen Baugröße sowie der relativ freien und elastischen Lagerung des Stößels mittels Federelementen an der Oberplatte des Rahmens im Gegensatz zur Exzenterpresse eine relativ geringe Kippsteifigkeit. Dadurch sind erwartungsgemäß die maximalen Amplituden der Kippschwingung des Maschinenstößels höher als am Stößel der Exzenterpresse. Die Auswertung der Schnittkantenqualität der auf dem jeweiligen System hergestellten Bauteile zeigt jedoch, dass der Vorteil der hohen Schneidgeschwindigkeit in Verbindung mit der dadurch realisierbaren hohen Fertigungsrate gegenüber eventueller Fertigungsungenauigkeiten durch die Kippung des Stößels überwiegt.
Publications
- Development of a Miniaturized, Electromagnetically Actuated Punch, Proceedings of the ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE2015), Houston (USA), November 2015
Ahrens, M.; Hasselbusch, T.; Dagen, M.; Behrens, B.-A.; Ortmaier, T.
(See online at https://dx.doi.org/10.1115/IMECE2015-51382) - Control of an Electromagnetically Actuated Resonance Punch, Proceedings of the 3rd Symposium on Automated Systems and Technologies (AST 2016), Hanover (Germany), October 2016
Ahrens, M.; Hasselbusch, T.; Dagen, M.; Behrens, B.-A.; Ortmaier, T.
- Schneidmaschine zur Erhöhung der Bauteilqualität, ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Band 111, Ausgabe 11 (November 2016), pp. 727-730
Behrens, B.-A.; Krimm, R.;. Hasselbusch, T.; Ortmaier, T.; Dagen, M.; Ahrens, M.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111619) - Miniaturisierte Schneidmaschine - Neuartiges Konzept zur Herstellung kleiner Stanzteile im Resonanzbetrieb, wt Werkstatttechnik online, Ausgabe 3 (2017), 194-198
Behrens, B.-A.; Krimm, R.; Altan, L.; Hasselbusch, T.; Ortmaier, T.; Dagen, M.; Ahrens, M.
