„Umformtechnologien und ihre Randbedingungen“ - … · Aluminium, Magnesium, Titan 23 %...

Bild 1Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen

Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens

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Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen Universität HannoverProf. Dr.-Ing. B.-A. Behrens

Referent Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens


Universität Hannover Institut für Umformtechnikund Umformmaschinen

„Umformtechnologien und ihre Randbedingungen“



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Gliederung

Materialien für die Blechumformung

Kennwerte für die Blechumformung - Blechprüfverfahren

Tiefziehen – IHU - Gleitziehbiegen

Prozesskette – Karosserie - Blechformteile



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Gliederung







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Anforderungen an Karosseriebleche

UmformungVerfestigungAnisotropieTribologie

MontageSchweißbarkeit

FügbarkeitKlebbarkeit

UmweltEnergieverbrauchWiederverwertung

GebrauchSteifigkeit / Betriebsfestigkeit

LebensdauerCrashverhaltenMaßhaltigkeit

BeschichtungHaftfestigkeitLackierbarkeit



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Gewichtsanteile eines Mittelklasse PKW

Antriebsstrang:Motor, Getriebe,Wellen22 %

Fahrwerk:Felgen, Reifen,Achsen, Federn,Radaufhängung24 %

26 %Karosserie:Weiche und höherfeste Stähle,Aluminium, Magnesium, Titan

23 %Ausstattung:Elektronik,Klimaanlage,Innenausstattung,Dämmstoffe

Flüssigkeiten:Kraft- undSchmier stoffe,Hydrauliköl,Kühlmittel

5 %



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Verteilung der Stahlqualitäten heute und zukünftig (C-Klasse)

Quelle: DaimlerChrysler

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Anteil heute Anteil zukünftig

weiche Tiefziehgüten (bis320 MPa Zugfestigkeit)

Hochfeste Stähle (bis 560MPa Zugfestigkeit)

Ultrahochfeste Stähle (bis1000 MPa Zugfestigkeit)

Megahochfeste Stähle (über1000 MPa Zugfestigkeit)

Wer

ksto

ffan

teil

(%)



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Anwendungen für Dualphasenstähle und Complexphasenstähle

A-Säule

B-Säule

C-Säule

Stoßfänger-Verstärkung

Seitenaufprall-Träger

Vorderer Seitenträger

Dachbogen Dachschiene

Querträger

Dualphasen-StahlComplexphasen-Stahl

Quelle: SSAB Tunnplåt AB



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Gliederung







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Einsatz von Werkstoffkennwerten zur Bewertung des Umformverhaltens

Grenzformänder-ungsdiagramm nach

Nakajima

Kreuzzug-versuch

Näpfchenprüf-verfahren- nach Swift- nach Schmidt

HydraulischeTiefung

Zugversuch

Erichsen-tiefung

Streifen-ziehversuch

Flanschein-zugversuch

Ziehstauch-versuch

Grenzformänder-ungsdiagrammnach Marciniak

EngelhardtTest

Sonderprüf-verfahren



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Spannungs-Dehnungs-Diagramm und Fließkurve

ϕb

ϕs

Zugprobe

Verfestigungsexponent

n = ϕg = tan α

Rp0,2A g

A80

Rm

Flie

ßspa

nnun

g k

f[M

Pa]

Span

nung

σ[M

Pa]

Dehnungε [%]

j [-]

Fließkurve(extrapoliert)

σ

ε

Rp0,2ohne ausgeprägte Streckgrenze

σ

ε

E= σε

E-Modul =Elastizitäts-modul

εel εpl

Quelle: Hallfeldt

Umformgradϕ [-]



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Fließkurven von StählenFl

ießs

pann

ung

kf[M

Pa]

Umformgrad ϕ [-]

H320(ZStE340)s0=0,8 mm

H300X(DP500)

s0=0,8 mm

DC04 (St14)s0=0,8 mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

H300X

H320

DC04

Quelle: Hallfeldt



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Dehnungen am Beispiel der Kreisverformung

ϕ1= ln (d1 / d0)

Lokale Formänderungen am Beispiel der Kreisverformung

Umformgrad:

Vergleichsformänderung/-dehnung nach v. Mises:

ϕV = (2/3(ϕ 12 + ϕ 22 + ϕ 32))1/2

ϕ2= ln (d2 / d0)

ϕ3= ln (s1 / s0) d1

d2

d0

Blechdicke: s



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Elektrochemisches Aufbringen des Messrasters



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Auswertung des 2 mm Kreisrasters mittels Stereomikroskop



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Dehnungen am Beispiel der Kreisverformung

d 0

d2

d 1

Umformgrad ϕ20 +-0

+

ϕ 1 = -ϕ 2 ϕ1 = -2ϕ 2 ϕ2 = 0 ϕ1 = ϕ2

Umformgrad : ϕ = ln (ε+1) ; Dehnung: ε = ( d-d 0)/d 0

Reißer

Gutteile

Umfo

rmgr

adϕ

1

Tief-ziehen

Streck-ziehen

PlaneStrain

Grenzformänderungskurve



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Test nach Nakajima

Ziehteil

Ziehstempel

Ziehring

Nieder-halter

d0=100 mm

Nakajima -Versuchsausfbau

20040 2005020057,5

200

72,5

200

65200

80200

Nakajima 6 Streifen von 1968

50 75 100 115 125 135

160

Hasek Proben von 1976

Neue Proben Form, gemäß neuer ISO12004

13 21: Länge (ca. 25 % des Stempeldurchmessers)2: Breite 3: R = 20-30 mm



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Umformlabor mit digitaler Bilddatenerfassung

Dehnungsmessung mit digitalemMesswerterfassungssystem ARGUS Vorbereitetes Umformteil

Quelle: Salzgitter



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Umformanalyse Hecklappe Innenblech Skoda Fabia (feuerverzinkt)

Quelle: Salzgitter

Ist-Zustandsermittlung voreiner notwendigen Optimierung

Werkzeug- und Prozessoptimierung

Umformanalyse zur Verifikation der erfolgreichen Optimierung

kritischerBereich !!!

Sicherheit:ca. 14%

Einschnürungen + Reißer

Sicherheit



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Gliederung



Tiefziehen - IHU - Gleitziehbiegen




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Einteilung der Fertigungsverfahren

Schu

bum

form

en

Bieg

eum

form

en

Zugu

mfo

rmen

Zugd

ruck

umfo

rmen

Dru

ckum

form

en

Zerte

ilen

Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

BeschichtenUrformen Stoffeigenschaft ändernFügenTrennenUmformen

Füge

n du

rch

Um

form

en

Quelle: nach DIN 8580



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Streckziehen und Tiefziehen

2. Tiefziehen nach Ausformung des Ziehteilbodens im Flanschbereich

1. Streckziehen zu Ziehbeginn im Bodenbereich

FST

Stempel

F/2F/2

F/2F/2FST

Nieder-halter

StempelZiehring

Blech

Boden

Zarge

Flansch

σt σr

σnσt

σr

σt

σr σt

σr

σt

σr

σrσt

σn

ebene Dehnung

Zug - Druck - Beanspruchung

gleichförmige Streckung

= Tangentialspannung= Normalspannung= Radialspannung σr

σn

σt

Quelle: Hallfeldt



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Einflussgrößen Tiefziehen

unebeneBodenform

Zieh- anlage

ZuordnungPresse

Schmierstoff

OberflächeWerkzeug Blech Umform-

geschwin-digkeit

Wirkungs-weise

Werkzeug- führung

Gesamt-steifigkeit

Grenzform-änderung

r- und n-Wert

Festigkeit

Werkzeug-geometrie

Werkstoff-verhalten

Reibungs-verhältnisse

Umform-maschine

Zugab- stufung



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Parameter starrer Tiefziehwerkzeuge

manuelleTuschierarbeit

43%32%

11%14%

Simulation undKonstruktion

maschinelleBearbeitung

Arbeits-vorbereitung

Quelle: Allgaier und Mayerhoff

Zeit- und kostenintensive, manuelle Tuschier- und Anpassarbeiten beim Einfahren und Erproben von Umformwerkzeugen

Lange Produktionsanlaufzeit bei Produktionsbeginn und nach einem Werkzeugwechsel durch großen Aufwand bei der Werkzeugeinrichtung

Bei starren und elastischen Niederhaltern sind aufwändige Techniken erforderlich, um den Materialfluss gezielt zu beeinflussen (Ziehwulste und andere aktive Werkzeugelemente)



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Werkzeugsystem mit elastischem Niederhalter zum Einsatz auf Pressen mitVielpunktzieheinrichtung



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Aufbau eines Tiefziehwerkzeugs mit hydroelastischem Niederhalter

Niederhalter-grundplatte

Hydraulikanlage

HöhenanschlagStempel

Drucktasche

elastischeMetall-Membrane

(1.2714)

ZiehringWerkstück

Drucktasche

Druck-anschluss

Nieder halter

Nut mit O-Ringdichtung

Grundplatte

pi

Stempel



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Motivation Presshärten

Anforderungen an Karosserieblechteile

Hohe Festigkeit(Crashsicherheit)

Geringe Masse(Leichtbau) Hohe Fertigungsgenauigkeit

-Einsatz hoch-undhöchstfester Stahlwerkstoffe

-Härten durchWärmebehandlung

-Materialeinsparung-Reduzierung der Blechdicke

-Verringerung derRückfederung

-Eigenspannungen verringerndurch Erwärmung

Presshärten

Eine Lösung



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Prozessablauf beim Presshärten

Bildquelle: Benteler Automobiltechnik

Weiterver-arbeitung

Walzwerk

Kühlung

Umformen und HärtenZuschnitt TransferCoil Erwärmung

Beispiel eines pressgehärtetenTüraufprallträgers

Blechwerkstoff: BTR 165Zugfestigkeit: Rm > 1500 MPa



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Austenitisierung von borlegierten Stählen

Beeinflussungsmöglichkeiten

der Austenitbildung

• Zeit-Temperatur-Verlauf (ZTA-Schaubild)• Ausgangsgefüge (Ferrit, Perlit, Bainit)• Chemische Zusammensetzung Te

mpe

ratu

r [°C

]

Zeit [s]

Beispielhaftes isothermes ZTA-Schaubild

Ausgangsgefüge(normalgeglüht)

Martensit(gehärtet)

22MnB5



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Zugfestigkeit und Bruchdehnung pressgehärteter Stähle

600

800

1000

400

200

0

1600

1400

1200

1510 4020 255 35 4530 50

DDQ, UDDQ

0

P, BH, IFHS

HSLA

TRIPDP

FB

CP

PM

BTR 165 (22MnB5)pressgehärtet

BTR 165 (22MnB5)Ausgangszustand

Bruchdehnung [%]

Zugf

estig

keit

[MPa

]

höchstfeste Stähle

hochfeste Stähle

höherfeste Stähle

BTR: Benteler`s special ultraPM: partial martensiticCP: complex phaseDP: dual phaseFB: ferritic-bainiticTRIP: transformation indcuedHSLA: high strength low alloyP: phosphorous alloyedBH: bake-hardeningIFHS: interstitial free high strDDQ: deep drawing qualityHDDQ: ultra deep drawing qua



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Anwendungsbeispiele tiefgezogener Bauteile im Automobilbau

z.B. ZStE250i z.B. ZStE250ifür Frontklappe

z.B. DC05 für Seitenwand

z.B. CP900für Seitenaufprall-

trägerz.B. TRIP800 Seitenschwellerz.B. 300X für Felge



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Einordnung des hydromechanischen Tiefziehens in die DIN

WirkmedienbasierteUmformverfahren

Umformen durchWerkzeugbewegung

Umformen durchWirkmediendruck

Halbzeug ebenbzw. offen (Blech)

Halbzeug teilweisegeschlossen (Rohr)

Halbzeug ebenbzw. offen (Blech)

Halbzeug teilweisegeschlossen (Rohr,

Doppelplatine)

DirekterWirkmedien-

konakt

IndirekterWirkmedien-

konakt


konakt

DirekterWirkmedien-

konakt


konakt


konakt

DirekterWirkmedien-

konakt

DirekterWirkmedien-

konakt

Hyd

rom

echa

nisc

hes

Tief

zieh

enoh

ne M

embr

anei

nsat

z, z

.B.

HYD

RO

MEC

Hyd

rom

echa

nisc

hes

Tief

zieh

enm

it M

embr

anei

nsat

z, z

.B.

HYD

RO

FOR

M

VAR

IFO

RM

Roh

rauf

wei

ten

nach

dem

Was

serb

eute

lver

fahr

en

Hoc

hdru

ck-B

lech

-um

form

ung

(HB

U)

FLU

ID-Z

ELL

(ASE

A)

Inne

nhoc

hdru

ckum

form

ung

(IHU

)vo

n R

ohre

n un

d D

oppe

lpla

tinen

Inne

nhoc

hdru

ckum

form

ung

(IHU

)vo

n R

ohre

n m

it M

embr

anei

nsat

z



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Hydromechanisches Tiefziehen

FNH = Niederhalterkraft

FSt = Stempelkraft

p = Mediumdruck

FNH FNHFStFSt

Wasserkasten

Niederhalter

Platine

Druck-medium

Dichtung

1. 2.

3.

Stempel

Merkmal wirkmedienbasierter Tiefziehverfahren: Ein Werkzeugelement wird durch ein Druckmedium ersetzt.

1. Die Platine wird direkt auf das mit einem Wirkmedium gefüllte Unterwerkzeug (Wasserkasten) gelegt.

2. Das Werkzeug wird durch den Niederhalter verschlossen.

3. Der Stempel formt das Werkstück gegen den sich aufbauenden Wirkmediumdruck in den Wasserkasten um.



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Merkmale des hydromechanischen Tiefziehens

1. Geringere Werkzeugkosten durch die entfallende Matrize,2. Reduzierung üblicher Einarbeitungsarbeiten und3. Umformung unterschiedlicher Blechwerkstoffe und Blechdicken mit einem Werkzeug.

Mediumdruck p

pWasserkasten

Stempel

Stempel

Platine

90°

FSt

FNH FNH

Im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen günstigerer Spannungszustand im Ziehteil, besonders beim Ziehen von konischen Werkstücken.

Durch den senkrecht zur Blechoberfläche wirkenden Querdruck lässt sich im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen über die Ziehteilzarge eine generell größere Kraft vom Ziehteilflansch in den Ziehteilboden übertragen.



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Auswirkung verschiedener Wirkmediendrücke

Mediumdruck zu hoch

Behinderung des Blecheinlaufes durchWulstbildung (Reißer)

Mediumdruck pWasserkasten

Niederhalter

Stempel

Mediumdruck zu hochWulst

Mediumdruck p

Mediumdruck zu gering

Mediumdruck zu niedrig

Blech liegt nicht am Stempel an,

Bildung von Falten 2. ArtWasserkasten

Stempel

Mediumdruck p

Mediumdruck optimal

Mediumdruck optimal

optimaler, horizontalerBlecheinzug, Blech liegt

am Stempel anWasserkasten

Stempel

Platine

FNH FNH

FNH FNH

FNH FNH

FSt

FSt

FSt

Dichtungen

p

Mediumdruck p

p

Stützdruck pSt

pSt

Wasser-kasten

Nieder-halter

Wasserkasten

Stempel

Stempel

Platine

FSt

FNH FNH

Prinzip des modifizierten hydromechanischenTiefziehens nach Siegert



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Aktives Hydromec-Verfahren

Werkzeug geöffnet

Gesamtkapazität: 100.000 kNStößelkapazität: 70.000 kNBlechhalterkapazität: 30.000 kN

Tischfläche: 6.000 x 2.200 mm

Werkzeug geschlossen,Platine eingespannt

Platine vorgeformt,Kaltverfestigungs-effekt des Materials

Fertigformen, Kalibrieren

Quelle: Schuler



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Aktives Hydromec-Verfahren

Motorhaube:DC05 s0 = 0,8 mmAA6016/T4 s0 = 1,2 mm

Quelle: Schuler



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Hochdruckblechumformung (HBU)

Druckfluid

Matrize

Platine

Entlüftungsbohrung

p Wirkdruck

p

Niederhalter

• Bei der Hochdruckblechumformung wird das Werkstück durch die Druckbeaufschlagungeines Fluids umgeformt.

• Das Fluid übernimmt dabei die Funktion eines Stempels. • Daher erfordert das Tiefziehen mittels Hochdruckblechumformung (HBU) lediglich eine

Negativform des herzustellenden Bauteils, in die die Platine durch das Druckmediumhineingeformt wird.



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Innenhochdruckumformung (IHU)

Gegenhalter

Rohteil

Werkzeug-hälften

Axialstempel

Nebenform

Bauteil

1. Werkzeug- schliessen

2. Füllen des Rohteils

3. Formen des Bauteils

4. Kalibrieren

5. Werkzeug öffnen

p

p

Der Verfahrensablauf des Innenhochdruck-Umformens ist wie folgt 1. Werkzeug schließen2. Füllen des Rohteils 4. Kalibrieren des Bauteils 3. Formen des Bauteils 5. Werkzeug öffnen



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Innenhochdruckumformung (IHU) Werkzeug

Die Formgebung erfolgt beim IHU in einem Hohlform-Werkzeug und gegebenenfalls mittels darin integrierter, steuer- oder regelbarer Achsen über aktive Formelemente. Diese verkleinern oder vergrößern die Hohlräume im Werkzeug.

ZentrierungBauteil

Werkzeug-aufnahmeplatte

Axialstempel

Zylinderkonsole mitSchwenkeinrichtung

Axialstempel

Werkzeug-oberteil

Pressentisch

Stößel

Werkzeug-aufnahmeplatte

Werkzeug-unterteil

Medien-zuführung



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Innenhochdruckumformung (IHU) Maschine

Pressen für das Innenhochdruck-Umformen benötigen auf Grund der sehr hohen Fluid-drücke im Werkzeug hohe Schließkräfte. Derartige Pressen bestehen im wesentlichen aus den folgenden Komponenten:• Elektronik• Wirkmedium-Hydraulik und -Regelung,• Öl-Hydraulik • Pressentisch• Stößel

Bauarten der Pressen• Vier-Säulen-Pressen • Rahmenpressen

Quelle: Schuler



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Innenhochdruckumformung (IHU) Beispielteile

Vorderradträger

Armaturenbrettträger

A-Säulemit

Windlauf

Abgaskrümmer

Rohrverteiler

Quelle: Schuler

Quelle: Schuler

Quelle: SchulerQuelle: Schuler

Quelle: Schuler



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Motivation zum Gleitziehbiegen

Verfahrensvorteile:geringe Werkzeugkostengeringe Anlagenkostenkurze Umrüstzeitenwirtschaftliche Herstellungkleiner LosgrößenHerstellung variabler Werkstück-längen möglichHerstellung von Bauteilfamilienmit einer Werkzeuggeometrieverminderte Rückfederung

Vormatrize

Werkstück

Fertigmatrize

ortsgebundeneMatrizen

Ziehrichtung

nach: Bogojawlenskij, Neubauer, Ris

Prinzip des GleitziehbiegensPrinzip des GleitziehbiegensPrinzip des GleitziehbiegensPrinzip des Gleitziehbiegens EigenschaftenEigenschaftenEigenschaftenEigenschaften



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Gleitziehbiegen

IdeeIdee

UmsetzungUmsetzung

Vormatrize

Werkstück

Fertigmatrize

feststehendeMatrizen

Ziehrichtung

nach: Bogojawlenskij, Neubauer, Ris

Prinzip des GleitziehbiegensPrinzip des Gleitziehbiegens

VariablerQuerschnittüber Profillänge

Konstanter Querschnitt über Profillänge

Quelle: IB ANDRESEN INDUSTRI A/SQuelle: H. HESSE Kaltprofile+ Bearbeitung GmbH & Co.

Quelle: IB ANDRESEN INDUSTRI A/SQuelle: H. HESSE Kaltprofile+ Bearbeitung GmbH & Co.

Konventionelle ProfileKonventionelle Profile

BelastungsangepassteBelastungsangepassteProfileProfile

Variierte HöheVariierte Breite

Variierte Höheund Breite



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Anlage zum Gleitziehbiegen

Technische Daten:Technische Daten:Länge der herstellbaren Profile:Länge der herstellbaren Profile: llmaxmax = 2000 mm= 2000 mmziehbare ziehbare Blechdicken:Blechdicken: ss00 = 0,6 mm; 0,8 mm; 1,0 mm= 0,6 mm; 0,8 mm; 1,0 mmmax. Ziehkraft:max. Ziehkraft: FFZmaxZmax = 40 kN= 40 kNmax. Ziehgeschwindigkeit:max. Ziehgeschwindigkeit: vvZmaxZmax = 20 m/min= 20 m/min

HydraulikaggregatHydraulikaggregat

PlatinenführungPlatinenführungPlatinePlatine

HydraulikzylinderHydraulikzylindermit Regelventilmit Regelventil

SteuereinheitSteuereinheit

Matrizenträger Matrizenträger mit Matrizemit Matrize

GrundgestellGrundgestell

Ziehschlitten Ziehschlitten mit Greifermit Greifer



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Mögliche Anwendungsbeispiele für Gleitziehbiegen

Mögliche Anwendungsgebiete:• belastungsangepasste Verbund-

profile• belastungsangepasste Tür-

versteifungen oder StoßfängerträgerQuelle:DREISTERN-WerkMaschinenbau GmbH & Co. KG

Quelle:Thyssen Umformtechnik+ Guss GmbH

Quelle: Thyssen Umformtechnik + Guss GmbH Quelle:Thyssen Umformtechnik+ Guss GmbH

Quelle: Thyssen Umformtechnik + Guss GmbH

Hergestelltes Hergestelltes VerbundprofilVerbundprofil



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Zeitlicher Ablauf der ProduktfertigungAr

beits

punk

te

Lastenheft und CAD-Daten

Methodenplanung

Arten und Herstellungvon Prototypen-Werkzeugen

Bauformen undHerstellungvon Serienwerkzeugen

Try-Out (Einarbeitungspresse)

Produktion / Pressenadaption

Idee SoP

Quelle: Audi

Quelle: Schuler

Quelle: Ciba Geigy

Quelle: Allgaier Werke

StartofProduction = Start der Produktion

SoP:



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Prozesskette Karosserie-Blechformteile

Quelle: Schulte, AUDI AG

MethodeMethodenplanung Werkzeugkonstr.WZ-Konstruktion

BauteilentwicklungBauteilentwicklungStylingStyling / Design

EinarbeitTry-OutWerkzeuganfert.WZ-Fertigung

Preßwerk/RohbauPresswerk/Rohbau

Entwicklung

Betriebsmittelerstellung

Produktion

...

...



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Einsatzbereiche der verschiedenen Pressenkonzepte

Quelle: Schuler

MittlereTeilgrößen

bis 25.000 kNStößelkraft

GroßeTeilgrößen

bis 50.000 kNStößelkraft

Sehr großeTeilgrößen

über 50.000 kNStößelkraft

Transferpresse

Großteil-Transferpresse mit Greiferschienen-Transfer / Pressenlinie

Großteil-Transferpressen mit Saugerbrücken-Transfer

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