Biegen von Rohren - Department Maschinenbau · 1 4. Int. Konferenz Hydroumformung Rohrbiegen 4. Internationale Konferenz „Hydroumformung“ 25. Oktober 2005 Prof. Dr.-Ing. Bernd

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4. Int. Konferenz Hydroumformung

Rohrbiegen

4. Internationale Konferenz4. Internationale Konferenz„Hydroumformung“„Hydroumformung“

25. Oktober 2005

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

Biegen von RohrenBiegen von Rohren(tube bending)

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Rohrbiegen

Vorstellung Lehrstuhl

Tiefziehen(Deep Drawing)

Biegen(Bending)

Endenbearbeitung(End Working)

Innenhochdruck-Umformen(Hydroforming)

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Rohrbiegen

Übersicht

Folien unter: www.mb.uni-siegen.de/fw

Biegelinie: Prozessgröße beim IHU( Bending Line: Process Parameter in Hydroforming )

Abschätzung von Biegeeinflüssen( Calculation of Bending Effects)

Simulation des Dornbiegens( Simulation of Tube Bending)

Erfassung der Tribologie beim Biegen( Determine of Friction in Tube Bending Process )

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Rohrbiegen

Prozessgröße Biegelinie

Optimierung IHU-Prozess( Optimization of Hydroforming Process )

Prozessgrößen

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30

Schiebweg [mm]

Inne

ndru

ck [b

ar]

Schiebeweg

Prozessgröße (IHU)Prozessgröße Biegelinie( Bending line as Process parameter)

Zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen beim Innenhochdruck-Umformen sollte das Biegen eine größtmögliche

Gestaltungsfreiheit bieten

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Rohrbiegen

Verfahrensbedingte Fehler beim Dornbiegen( Defects in Bending-Process )

Prozessgröße Biegelinie

Falten( Buckling )

Ovalisierung( Ovalisation )

Risse am Außenbogen( Cracks in Outer Bow )

Gleichmaßdehnung(Uniform Elongation )

Querschnitts-geometrie(Geometry)

?

Abschätzkriterium AbschätzkriteriumAbschätzkriterium

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Rohrbiegen

Unter der Annahme einachsialer Belastung kann für den Versagensbeginn formuliert werden:

Wie beim Blechbiegen gilt für die Dehnungsbestimmung beim Biegen von Profilen:

ggrenz A≤ε

Berechnung des Risses (Calculation of Crack )

Abschätzung der Biegefehler

Annahme: keine Querschnittsänderung(Assumption: no Deflection in Cross-Section)

thth RD

Ry

⋅==

20ε

y

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Rohrbiegen


Realität: Querschnittsänderung !(Reality: Deformation in Cross-Section)

- Ovalität (Ovalisation)

- Durchmesserreduktion( Reducion of Circumference )

- Rohreinfall ( Deflection )

)sin()2

sin()(

00

2,0 ϕα⋅⋅⋅

−= s

pRk

e Pff

efth

f

ReD

⋅

−=

20ε

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Rohrbiegen

Rohr: Material 1.4301, ∅60mm, s=2,5mmWerkzeugparameterSchablone: ∅92mmSpannbacken: eben, Länge: 100mmGleitschienenlänge: 235mmVerfahrensparameter:ohne Dornstehende Gleitschiene – Anpressdruck 60barBiegewinkel: variabel

Abst

and

Roh

rzen

trum

[mm

]

Einf

all [

mm

]

Biegewinkel [°]


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Rohrbiegen


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Rohrbiegen

ϕ1

ϕ2

ϕ1 =ϕ2

ϕ2 =−ν·ϕ1

ϕ2 =−ϕ1/ ν·

straff(tense)

gefaltet(folded)

schlaff(flaccid)

stabil beim Biegen

(rugged when bending)

Faltenkriterium (Wrinkling Criterion)

Abschätzung der Faltenbildung

Homogene Faltenbildung

RegelloseFaltenbildung

Keine Faltenbildung

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Rohrbiegen

Biegedorn fest:

translation lock: x,y,z

rotation lock: x,y,z

Pam-Tube

Pam-Tube

Nachweis der Faltenbildung durch Simulation

Beispiel: Dornbiegen Rohr ∅ 60mm, s=2,5mm, Biegeradius 60mm, KugeldornErgebnis Realversuch: Starke Faltenbildung am Innenbogen

Modell 1:

faltenfreier Bogen

Modell 2: Biegedorn beweglich:

lock:z (x,y unlock)

rotation lock: x,y,z

starke Faltenbildung

Nur die richtige Werkzeugbeschreibung liefertbrauchbare Ergebnisse zur Identifizierung von Falten

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Rohrbiegen

Einleitung der Spannkraft berücksichtigen, um Nachzug im Spannbacken abzubilden

Aufrechterhaltung der Spannkraft während des gesamtem BiegevorgangesBerücksichtigung der Freiheitsgrade des BiegedornesGegenseitige Abstützung der Werkzeuge – insbesondere des Faltenglätters


Empfehlungen zur Abbildung des Dornbiegens mit Hilfe der FEM

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Rohrbiegen

Einfluss des Reibbeiwertes µ zwischen Faltenglätter und Rohr auf das Biegeergebnis(Influence of the Friction Coefficient µ between Wiper Die and Tube)

Gleitschiene(Pressure Die)force = 75 kN

Klemmkraft(Clamping)force = 120 kN

Reibbeiwert µ=0,05(friction coefficient µ=0.05)

Pam-Tube Pam-Tube



Starke Faltenbildung

Schwache Faltenbildung

Nur der richtige Reibbeiwert liefert brauchbare Ergebnisse zur Beurteilung der Faltenbildung

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Rohrbiegen

Messkopf

(1)

(2)

(3)(6)

(4)

(5)

Messkopf(measuring head)

(1) Werkzeughalter (die holder)(2) Gleitplatte (sliding plate)(3) Kraftmessdose (load cells)

(4) Führungen (guiding)(5) Druckplatte (hardened disc)(6) Grundplatte (counter panel)

Ermittlung des Reibbeiwertes

Versuchsstand zur Ermittlung der Kontaktnormalspannungen und desReibbeiwertes beim Dornbiegen

(Construction: Meassuring the Coefficient of Friction and Normal Surface-Stresses)

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Rohrbiegen

Photo Biegemaschine

Photo Kraftmessbox

Ermittlung des Reibbeiwertes

Versuchsstand zur Ermittlung der Kontaktnormalspannungen und desReibbeiwertes beim Dornbiegen

(Construction: Meassuring the Coefficient of Friction and Normal Surface-Stresses)

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Rohrbiegen

Einfluss des Reibbeiwertes µ zw. Faltenglätter und Rohr auf das Biegeergebnis(Influence of the Friction Coefficient µ between Wiper Die and Tube)


Gleitschiene(Pressure Die)force = 75 kN

Klemmkraft(Clamping)force = 120 kN


Pam-Tube Pam-Tube


Starke Faltenbildung

Schwache Faltenbildung

Die Kontaktnormalkraft am Faltenglätter zusammen mit dem Reibbeiwert erweitert den Bereich der faltenfreien Biegung !

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Rohrbiegen

„Faltenglätter“

kritische Werkzeugkonstruktion !

Werkstoff: AMCOgeschmiert, (beschichtet)um Haltbarkeit beim Biegen zu gewährleisten !

Faltenglätter oder Faltenverhinderer ?Der Faltenglätter verhindert Falten. Forderung: µ groß, Gleitgeschwindigkeit hoch, Kontaktkraft hoch

µ niedrig !Gleitgeschwindigkeit geringKontaktkraft unbestimmt !

Ausführung:

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Rohrbiegen

FGleitschiene

µ Faltenglätter

Biegeschablone(Rotating Die)

Spannbacke(Clamp Die)

Faltenglätter(Wiper Die)

Gleitschiene(Pressure Die)

„Faltenglätter“

Funktionsweise und Einstellparameter am Faltenglätter(Operating Mode and Parameter at the Wiper Die)

Kraft am Faltenglätter über Kraftfluss:

GleitschieneRohr aussenDornRohr innen

Dorn(Mandrel)

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Rohrbiegen

„Faltenglättersteuerung“

Faltenglättersteuerung über 2 Bewegungsachsen

Zustellachse

Längsachse

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Rohrbiegen

Anstellkraft:Gleitschiene = 75kNFaltenglätter = stationär

Pam-Tube Pam-TubePam-Tube

„Faltenglättersteuerung“

Anstellkraft:Gleitschiene = stationärFaltenglätter = 100kN

Anstellkraft:Gleitschiene = stationärFaltenglätter = 100kNGeschwindigkeit 0,05mm/s

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Rohrbiegen

Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick

•Die Biegelinie beeinflusst das Ergebnis des IHU-Prozessesund kann daher als Prozessparameter aufgefasst werden.

•Das Abschätzen von Biegeeinflüssen ist mit vereinfachten plastomechanischen Ansätzen nur beim Riss und der Ovalisierung möglich.

•Die Simulation des Dornbiegens verlangt exakte Beschreibungender Werkzeugbewegungen und der Reibbeiwerte.

•Eine aktive Steuerung des Faltenglätters kann zu einer erheblichen Vereinfachung beim Dornbiegen führen.

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