Konstruktion eines 3D-Schwenkbiegeautomaten

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Begriffserklärung

2.1 Umformen

2.2 Definition Biegen

2.3 Abkanten

2.3.1 Freies Biegen

2.3.2 Prägebiegen

2.3.3 Drei- Punkt- Biegen

2.4 Biegewinkelmessung

2.5 Mindestbiegeradius

2.6 Rückfederung

2.7 Schwenkbiegen

3 Prinzipfindung und Ausarbeitung

3.1 Kurvensteuerung

3.1.1 Zwangslaufsteuerung

3.1.2 Konstruktion der Kurve

3.1.3 Funktionsprinzip Kurvensteuerung

3.2 Segmentierung des Niederhalters

4 Kräfte beim Biegen

5 Berechnung des Zahnsegments

6 Antriebsdimensionierung

6.1 Schwenkmotorantrieb

6.2 Hubgetriebeantrieb

6.2.1 Berechnung des erforderlichen Antriebsdrehmomentes

6.2.2 Verfahrzeit für den gesamten Hub

6.2.3 Hubgetriebemotorenauswahl

7 Theoretische Grundlagen zur FEM

7.1 Die Finite Element Methode

7.2 Verschiebungsansatz – Finite Elemente des elastischen Kontinuums

7.3 Der CATIA ELFINI Solver

7.3.1 Der Gauß- Algorithmus

7.3.2 Das Gradientenverfahren

7.4 Möglichkeiten der Vernetzung

7.4.1 Beam- Elemente (1D- Elemente)

7.4.2 Schalen Elemente (2D- Elemente)

7.4.3 Tetraeder- Elemente (3D- Elemente)

7.5 Strategien bei der FEM- Analyse

7.5.1 Qualitative Prüfung der Ergebnisse

7.5.2 Variantenvergleich bei verfeinertem Netz

7.5.3 Lokale Spannungen

7.6 Definition der Randbedingungen

7.7 3D- Elemente zur Vernetzung

7.7.1 Lineare Tetraeder- Elemente oder TE4

7.7.2 Parabolische Tetraeder- Elemente oder TE10

7.7.3 Unterschiede zwischen den TE4- und dem TE10- Elementen

7.8 Adaptivitätskontrolle

8 FEM- Berechnungen mit Hilfe von CATIA

8.1 Vorgangsweise bei der Berechnung

8.2 Auswertung der Ergebnisse

8.2.1 VonMises- Vergleichsspannung

8.2.2 Darstellung der Verformung

8.2.3 Darstellung der Hauptspannungen

8.2.4 Darstellung der Genauigkeit

8.3 FEM- Analysen

8.3.1 Biegekraft am Blech

8.3.2 Balkensegment

8.3.3 Niederhalterträger

8.3.4 Biegetisch

8.3.5 Niederhalterbalken

8.3.6 Kopfgestell

8.3.7 Grundgestell

9 Funktionsprototyp

9.1 Versuchslauf

9.2 Drehbar gelagerte Biegeschiene

9.3 Entwicklung der neuen Kurvensteuerung

9.4 FEM- Simulation der drehbaren Biegelinie

9.4.1 Ausgangsstellung 0 Grad

9.4.2 Blechwinkel 45 Grad

9.4.3 Endstellung des Biegevorgangs

10 Zusammenfassung

Zielsetzung & Themen

Ziel der Arbeit ist die Konstruktion eines 3D-Schwenkbiegeautomaten, der durch eine neuartige "Abrollbewegung" des Biegestempels Materialoberflächen schont und ein Schaben des Biegeschwertes unterbindet. Die Forschungsfrage fokussiert sich auf die technologische Umsetzung dieser präzisen Kinematik unter Berücksichtigung von Automatisierungsanforderungen und Festigkeitsnachweisen mittels FEM-Simulation.

• Konstruktion und Kinematik des Schwenkbiegeprinzips
• Entwicklung und Simulation einer Kurvensteuerung
• Strukturanalyse und Antriebsdimensionierung mittels CATIA
• Validierung durch einen Funktionsprototypen
• Schonende Biegeverfahren für oberflächenempfindliche Werkstoffe

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einführung: Erläutert den technologischen Trend zu komplexen Blechbiegeteilen und die Relevanz der Schwenkbiegetechnik für kleine und mittlere Losgrößen.

2 Begriffserklärung: Definiert die physikalischen Grundlagen der Umformtechnik, wie elastische/plastische Verformung, Biegewinkelmessung und das spezifische Schwenkbiegeverfahren.

3 Prinzipfindung und Ausarbeitung: Beschreibt das neuartige Konzept der Abrollbewegung des Biegestempels zur Oberflächenschonung sowie die mechanische Umsetzung mittels Kurvengetriebe und segmentiertem Niederhalter.

4 Kräfte beim Biegen: Analysiert die physikalischen Belastungen während des Biegevorgangs und stellt die Berechnungsformeln für die Biegekräfte auf.

5 Berechnung des Zahnsegments: Bestimmt die geometrischen Parameter des Zahnsegments, das für das Schwenkbiegeprinzip zentral ist.

6 Antriebsdimensionierung: Berechnet die notwendigen Momente und Leistungen für den Schwenkmotor und die Hubgetriebe unter Berücksichtigung der Maschinenkonfiguration.

7 Theoretische Grundlagen zur FEM: Liefert die mathematische und methodische Basis für die Simulation mit CATIA, inklusive Vernetzungsstrategien und Fehlerkontrolle.

8 FEM- Berechnungen mit Hilfe von CATIA: Dokumentiert die konkreten Simulationen für die verschiedenen Baugruppen des Automaten zur Festigkeitsprüfung.

9 Funktionsprototyp: Validiert das Konzept durch praktische Versuchsreihen und zeigt die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung einer drehbar gelagerten Biegeschiene auf.

10 Zusammenfassung: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bestätigt die Funktionsfähigkeit des 3D-Schwenkbiegeautomaten sowie das Potenzial der FEM-gestützten Konstruktion.

Schlüsselwörter

Schwenkbiegen, Abkanten, Finite-Elemente-Methode, FEM, CATIA, Kurvensteuerung, Biegekraft, Antriebsdimensionierung, Niederhalter, Umformtechnik, Prototyp, Kinematik, Maschinenbau, Festigkeitsanalyse, Schwenkbiegeautomat

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?

Die Diplomarbeit befasst sich mit der konstruktiven Entwicklung eines neuartigen 3D-Schwenkbiegeautomaten, der insbesondere für kleine und mittlere Losgrößen optimiert ist.

Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?

Zentrale Themen sind die theoretischen Grundlagen der Umformtechnik, die kinematische Auslegung der Kurvensteuerung, die mechanische Antriebsdimensionierung und die Festigkeitsanalyse mittels FEM.

Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?

Das Hauptziel besteht in der Realisierung einer schonenden Umformtechnik ("Abrollbewegung"), um Schabspuren an lackierten Blechen zu vermeiden und gleichzeitig eine hohe Prozessautomatisierung zu ermöglichen.

Welche wissenschaftliche Methode wird zur Validierung verwendet?

Der Autor verwendet eine Kombination aus analytischen Berechnungen zur Dimensionierung und umfangreichen computergestützten Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) in CATIA.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die mechanische Prinzipfindung (Kurvengetriebe, Niederhalter), die Dimensionierung der Komponenten (Motoren, Hubgetriebe) und die detaillierte FEM-Analyse der Maschinenstruktur.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?

Schwenkbiegen, FEM-Simulation, CATIA, Antriebsdimensionierung, Umformtechnik, Kurvengetriebe.

Warum ist eine segmentierte Niederhalterlösung wichtig?

Die Segmentierung ermöglicht die Flexibilität, unterschiedliche Blechbreiten in einer Produktionsstraße zu verarbeiten, was für die Variantenvielfalt moderner Fertigungsprozesse essenziell ist.

Was konnte bei der ersten Prototyp-Versuchsreihe als Problem identifiziert werden?

Es traten unerwünschte Schabspuren auf der Materialoberfläche auf, was zur Erkenntnis führte, dass der bisherige Abrollradius und die Lasteinleitung als Linienlast für eine oberflächenschonende Bearbeitung modifiziert werden mussten.

Wie wurde die Oberflächenschonung bei der Weiterentwicklung gelöst?

Es wurde eine drehbar gelagerte Biegeschiene mit einem zylindrischen Element entwickelt, das eine tangentiale und flächige Kraftübertragung sicherstellt.