Falzvergleich: Zangenfalzen vs. Rollfalzen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, M.Sc. Chulaka Perera, Dipl.-Ing. Fred Jesche, Dr.-Ing. Sebastian Hensel, M.Sc. Raik Grützner, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
108 Seiten - 69,00 EUR (sw, 78 teils farbige Abb., 11 Tab.)
ISBN 978-3-86776-483-4
Zusammenfassung
Die Anforderungen an die Flexibilität für Fügeverfahren steigen mit zunehmender Vielfalt und Individualität der Produktvarianten. Dieser Trend ist besonders in der Automobilindustrie zu erkennen. Die Weiterentwicklung von Falzverfahren ist für die rentable Produktion kleiner Serien im Automobilbau und in anderen Zweigen der metallverarbeitenden Industrie notwendig. Einzige Alternative zum Maschinenfalzen ist gegenwärtig das Rollfalzen. Ein derzeit noch nicht in Anwendung befindliches, robotergestütztes und inkrementelles Zangenfalzverfahren mit servoelektrischem Antrieb der Falzbacke eröffnet neues Potential für hohe Flexibilität und Produktivität.
Ziel des Forschungsvorhabens war die systematische Untersuchung der Verfahrensparameter für das robotergeführte Zangenfalzen für unterschiedliche Aufgabenstellungen. In umfangreichen experimentellen Studien wurden die Einflussparameter identifiziert und charakterisiert. Im Fokus stand dabei die Ermittlung geeigneter Verfahrensparameter für unterschiedliche Strukturbereiche bezüglich Falzgeschwindigkeit und Falzqualität.
Im Ergebnis konnte der Einfluss von Vorschubgeschwindigkeit und Backenfrequenz auf die Qualität der Falzverbindung für Stahl- und Aluminiumwerkstoffe an geraden und gekrümmten Falzkonturen ermittelt und die Grenzen des Verfahrens aufgezeigt werden. Unterstützt wurden die Untersuchungen durch Analysen der Zangenkinematik bei variablen Falzparametern.
Darüber hinaus wurde der Einfluss auf die Klebstoffverteilung beim Falzkleben untersucht. Einen Schwerpunkt bildete die numerische Beschreibung des Zangenfalzens in einem Prozessmodell. Die Simulationsergebnisse ermöglichen eine Abschätzung geeigneter Falzparameter bei vertieftem Prozessverständnis.
Im technischen Vergleich wurde das Zangenfalzen mit dem konventionellen Rollfalzen bezüglich der erreichbaren Falzqualität und erforderlichen Prozesszeiten für eine gekrümmte Bauteilkontur gegenübergestellt. Hinsichtlich der lokalen Qualitätsgrößen Packmaß und Schlaufengeometrie liefern beide Falzverfahren vergleichbare Ergebnisse.
Verfahrensbedingt ergeben sich beim Falzwinkel leichte Unterschiede. Ein geringerer Falzverlust und somit eine verbesserte Falzqualität können beim Zangenfalzen mit hoher Backenfrequenz gegenüber dem Rollfalzen erzielt werden.
Im Kostenvergleich werden die Verfahren Maschinenfalzen, Rollfalzen und Zangenfalzen gegenübergestellt. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen für das Referenzszenario ergeben sich wesentliche Unterschiede in den Stückzeiten, die aus den jeweiligen Werkzeuggeschwindigkeiten, den Werkzeugwegen und der Anzahl der Prozessstufen resultieren. Neben dem Vergleich der Fertigungskosten wurde auch die Eignung der Verfahren hinsichtlich technischer Wertigkeit beurteilt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Falzvergleich: Zangenfalzen vs. Rollfalzen" wurde unter der Fördernummer AiF 17710BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 435 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The requirements for flexibility on joining processes increase with individuality product variation. This trend is mainly focused on the automobile industry. The development of new hemming technologies is necessary for small series in the automobile industry or metalworking industries. Sole alternative to tabletop hemming is currently roller hemming. A robot controlled pliers hemming technology with servo-electrical drive of the hemming jaws creates a new field for higher flexibility and productivity.
The purpose of this research project was the systematic study of the process parameters for robot controlled pliers hemming technology for different tasks. In substantial experimental studies the major parameters were identified and characterized. The identification of appropriate process parameters regarding hemming velocity and hemming quality for different geometries was in focus. As a result, the influence of feed velocity and jaws frequency on the quality of the hem flange for steel and aluminum materials was determined on straight and curved component outlines and limitations of the technology were discussed. The studies were supported by analyzes of pliers kinematics at variable hemming parameters. In addition, the influence on adhesive distribution was examined in the hem flange bonding process. One focus was the numerical description of robot controlled pliers in a process model. The simulation results allow an estimation of appropriate hemming parameters with deepened understanding of the process.
In the technical comparison, the pliers hemming was compared with roller hemming in terms of fold quality and process times on a curved component outline. With regard to the hem quality of curvature radius and hemming thickness both hemming processes provide comparable results. The folding angle shows slight differences for the processes. Using pliers hemming with high jaws frequency instead of roller hemming a lower roll-in and hence an improved hem quality can be achieved. In cost comparison the technologies tabletop hemming, roller hemming and pliers hemming were compared. Due to consideration of the boundery conditions of the reference scenario, there are significant differences in the cycle times resulting from the respective tool velocity, tool paths and number of process steps. In addition to the comparison of production costs and the suitability of the process was evaluated in terms of technical quality.
The goal of this research project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Formelverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Falzen
2.1.1 Definition und Einordnung
2.1.2 Werkzeuggebundenes Falzen
2.1.3 Rollfalzen
2.1.4 Zangenfalzen
2.1.5 Falzkleben
2.2 Qualitätsmerkmale von Falzverbindungen
2.2.1 Schlaufenlänge und Schlaufenhöhe
2.2.2 Falzverlust
2.2.3 Packmaß und Falzüberdeckung
2.2.4 Falzfehler
3 Problemstellung und Zielsetzung
3.1 Problemstellung
3.2 Zielsetzung
4 Versuchseinrichtungen, Werkzeuge, Baugruppen und Auswertesystematik
4.1 Servoelektrische Falzzange
4.2 Anforderungskatalog
4.3 Werkstoffe, Versuchsbaugruppen und Falzparameter
4.4 Falzvorrichtungen
4.5 Werkzeuge zur Einzelteilherstellung
4.6 Messmethoden
5 Parameteruntersuchung Zangenfalzprozess
5.1 Gerade Bauteilkontur
5.1.1 Stahlverbindung
5.1.2 Oberflächenqualität und Formabweichungen
5.1.3 Aluminiumverbindung
5.2 Konkav/ konvex gekrümmte Bauteilkontur
6 Numerisch-simulative Bewertung des Prozesses
6.1 Modellaufbau
6.1.1 Materialparameter
6.1.2 FEM-Umgebung
6.1.3 Geometriemodell
6.1.4 Umsetzung Prozesskinematik
6.2 Ergebnisse der Berechnungen
6.2.1 Einlaufbereich
6.2.2 Falzprozess
6.2.3 Prozesskräfte
6.2.4 Kontaktsituation
6.2.5 Beurteilung realer Nachgiebigkeiten
7 Zangenfalzen mit Klebstoff
7.1 Versuchsaufbau und Prozessablauf
7.2 Einfluss der Zangenkinematik auf die Klebstoffverteilung
8 Analyse der Falzanlage
8.1 Reaktionskraft am Roboterflansch
8.2 Zangenkinematik
9 Technisch-wirtschaftlicher Vergleich von Zangen- und Rollfalzen
9.1 Technischer Verfahrensvergleich
9.2 Wirtschaftliche Bewertung
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen
11 Literatur
Anlagen
