Smartes Handling in der Warmumformung

Die Reduzierung des Gewichts von Automobilen bleibt im Fokus der Konstrukteure. Damit soll der tatsächliche Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Gerade bei Elektromobilen spielt das Gewicht der Karosserien eine wichtige Rolle. Um das Karosseriegewicht zu reduzieren und eine hohe Crashsicherheit zu realisieren, eignen sich warmumgeformte hochfeste Stähle und Tailored-Blanks-Platinen im Fahrgestellbereich.

31. August 2016

Beim Warmumformen werden diese Platinen auf Temperaturen von 900 bis 1.000 Grad Celsius erhitzt und anschließend in einer speziellen Umformpresse in einem Schritt fertig geformt. Um die gewünschten Festigkeiten zu erreichen, wird das Umformwerkzeug gekühlt, so dass eine schnelle Abkühlrate des Werkstücks von mehr als 30 Grad Celsius pro Sekunde erreicht wird.

Deshalb lassen sich die fertig warmumgeformten Teile aus dem Pressenwerkzeug auch mit den bekannten Greifsystemen von Bilsing entnehmen. Derzeit werden etwa 38 Prozent der Bauteile im Automobilbereich aus hochfesten Stählen gefertigt. Tendenz steigend.

Als Partner der Automobilindustrie hat sich das Familienunternehmen Bilsing gefragt, wie sich die heißen Platinen aus dem Ofen prozesssicher und effizient in das Warmumformwerkzeug legen lassen. Die Antwort gaben sich die Fachleute selbst: Sie entwickelten den Klemmgreifer PSB-20, der sich bei der Kaltumformung bereits bewährt hat, weiter und schufen einen Spanner, der die heißen Platinen zuverlässig in das Umformwerkzeug legt.

 

Bedingungen des Handlings heißer Platinen

„Ziel der Weiterentwicklung“, erläutert Andreas Kleeschulte vom Bilsing-Entwicklungsteam, „war, den Spanner so zu konditionieren, dass er bei den hohen Temperaturen die gleichen Klemmkräfte, wie der PSB-20 Klemmgreifer für die Kaltumformung entfaltet.“ Dazu wurden zunächst Greiferbacken gesucht, die eine möglichst kleine Fläche der heißen Platine greifen.

Die halbrunden Greifbacken realisieren die Aufnahme der Teile auf kleinster Fläche, die aber ausreicht, um die Platine mit der notwendigen Kraft aufzunehmen. Die Greifbacken bestehen aus einem hochlegierten Spezialstahl, der einen geringen Wärmeleitkoeffizient aufweist. Bei Bilsing wird ein Sonderstahl mit einem Wärmeleitkoeffizient von 13 W/(mK) eingesetzt. Zum Vergleich: Die Werte bei niedrig legiertem Stahl liegen bei etwa 42 und bei reinem Kupfer bei etwa 400 W/(mk).

„Unsere Greifbacken leiten die Wärme also sehr langsam weiter. Doch es gibt keine vollständige Wärmeisolierung. Deshalb haben wir die Greifbacken durch verschiedene Lösungen vom krafterzeugenden Kinematikteil, thermisch getrennt“, so Kleeschulte.

 

Konstruktive Maßnahmen zur thermischen Trennung

Die Strahlungswärme der glühend heißen Platinen kann durch Strahlbleche aus Edelstahl-Riffelblechen abgelenkt werden. Die Druckluft wird über Schläuche zugeführt, die Umgebungstemperaturen bis 170 Grad Celsius widerstehen. Die Anbindung der Schläuche an das Spannergehäuse erfolgt mit Edelstahl-Fittingen, die mit Hochtemperatur-Dichtungen ausgestattet sind.

 

Zusätzlicher Gewinn der neuen Spanner-Konstruktion

„Vollkommen neu gestaltet haben wir die Kinematik im Inneren des Gehäuses“, so Andreas Kleeschulte weiter. Das Gehäuse fungiert praktisch als Zylinder für die Kolbenstange, die die pneumatisch erzeugte Kraft an die Greiferfinger bringt. Das Gehäuse ist hochgenau bearbeitet. Mit der Neugestaltung der inneren Kinematik konnte der Kolbenstangendurchmesser halbiert und die Führungsschlittenplatten auf ein Fünftel, also jetzt vier Millimeter, reduziert werden.

Gleichzeitig verringert die Oberflächenbearbeitung die Reibwiderstände innerhalb der Kinematik. Im Ergebnis der Neugestaltung des Hochtemperatur-Spanners hat sich sein Gewicht im Vergleich zum Vorgängermodell für die Kaltumformung um 800 Gramm reduziert.

 

Die Spannkraft lässt sich durch das Verstellen der Spannbacken im Bereich von 150 bis 800 Newton einstellen. Damit wurde zum Vorteil der Anwender eine hohe Standardisierung erreicht, so dass im Vergleich zu den Spannern im Kaltumformbereich mit sieben unterschiedlichen Modellen nur ein bis zwei Standardmodelle zur Abdeckung aller möglichen Einsatzfälle ausreichen.

Die Anbindung der Hochtemperatur-Spanner an die Feeder- oder Roboter-Toolings erfolgt wie bei den Vorgängermodellen über eine direkte Anbindung oder über die flexibleren Varianten der Zapfen- oder Kugelanbindung. Die hintere Anbindung dieser Befestigungsvarianten entfällt, wenn dort bei entsprechenden Wünschen noch zusätzliche Kontrollfunktionen installiert werden.

Zusätzliche Doppelblechkontrolle

Während die Doppelblechkontrolle im Kaltumformprozess über den Induktionsstrom erfolgt, lässt sich die Doppelblechkontrolle von glühend heißen Platinen nur über das Messen der Blechdicke durchführen. Deshalb muss der Dickenmess-Sensor exakt auf die Blechdicke des Bleches eingestellt sein. Beim Produktwechsel gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder wird ein neuer Greifer mit Spannern in den Handhabungsprozess eingewechselt oder die geänderte Blechdicke wird direkt am Spanner eingestellt.

 

Die Dicken-Messungen erfolgen im Toleranzbereich von ±0,01 Millimeter. Im Toleranzbereich von ±0,03 Millimeter erkennt der Sensor Abweichungen. Für die Auswertung der Messergebnisse stellt der Sensor zwei Ausgangssignale bereit: ein analoges und ein digitales Signal. Über das analoge Signal kann man die tatsächliche Höhe der Abweichung auswerten.

Der digitale Ausgang signalisiert, ob die gemessene Blechdicke in Ordnung ist oder nicht. Über dieses Signal lässt sich der Handhabungsprozess sofort automatisch unterbrechen. Zusätzlich bietet die Doppelblechkontrolle eine optische Anzeige.

Die Signale werden über ein Wegmesssystem der Kolbenstange gemessen. Zwar wird die Doppelblechkontrolle am hinteren Teil des Spanners installiert, aber auch dort herrscht eine hohe Temperatur. So wird auch der Sensor durch die kälter werdende Druckluft des Spanners gekühlt.

Durch einen weiteren Sensor im Gehäuse der Doppelblechkontrolle hat der Anwender die Möglichkeit, den Stand der Kolbenstange abzufragen. Damit wird ein weiteres, unabhängiges Signal zur Realisierung der Prozesssicherheit generiert. Dieses Signal gibt Auskunft darüber, ob der Spanner offen oder geschlossen ist. Dieses Signal erkennt, ob sich der Greifer öffnet und sich deshalb zuverlässig aus dem Schließbereich des Werkzeugs zurückgezogen hat.