Verfahren zur hämmernden Blechumformung mit Industrieroboter

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit war es, ein Verfahren zur hämmernden Blechumformung unter Verwendung eines Industrieroboters zu entwickeln, durch eine systematische Vorgehensweise grundlegende Erkenntnisse über den Umformprozess sowie die technische Umsetzbarkeit des neuen Umformverfahrens nachzuweisen und hierfür alle technischen Voraussetzungen wie die Anlagentechnik sowie die Software zur Generierung des Umformpfades zur Verfügung zu stellen.

Auf Basis der durchgeführten Analyse wurden Teilsysteme zur hämmernden Blechumformung definiert sowie Anforderungen an das Gesamtsystem und die Teilsysteme abgeleitet.

Im Anschluss an die Analyse wurde das Konzept für das Gesamtsystem und den Verfahrensablauf vorgestellt. Entsprechend der in der Analyse definierten Teil- und Gesamtsysteme sowie den Szenarien zur Verfahrenskombination wurden Konzepte für das Fixiersystem, das Blechhaltesystem und das Hammerwerkzeug sowie für Gesamtsysteme mit der Möglichkeit zur Verfahrenskombination entwickelt.

Nach der Realisierung einer ersten Versuchsanlage zur hämmernden Blechumformung wurden entsprechend den abgeleiteten Untersuchungsschwerpunkten Grundlagenversuche durchgeführt. Das Ergebnis der Untersuchungen waren qualitative und quantitative Aussagen, welchen Einfluss bestimmte Parameter auf diverse Ergebnisgrößen besitzen und welche Verfahrensgrenzen bestehen. Darauf basierend wurden zur Erweiterung des Einsatzbereichs der hämmernden Blechumformung Umformstrategien für Blechteile mit komplexerer Geometrie sowie Umformstrategien zur Erhöhung der Maßhaltigkeit abgeleitet.

Anschließend wurde ein mechanisches Ersatzmodell der hämmernden Blechumformung aufgestellt, die Parameter des Ersatzmodells experimentell ermittelt und das Modell anhand von Grundlagenversuchen verifiziert. Die auf Basis des Modells durchgeführten theoretischen Schwingungsuntersuchungen erlaubten qualitative und quantitative Aussagen zur Auslegung des Hammerwerkzeugs und des Industrieroboters.

Um die hämmernde Blechumformung in einem Gesamtsystem zu erproben, wurde eine prototypische Pilotanlage realisiert. Die Erprobung erfolgte anhand einiger Demonstrationsblechteile sowie eines Prototypenblechteils für die Automobilindustrie.

As there are no scientific insights concerning sheet metal forming by hammering using an industrial robot, the main objective of this research work is to develop such a process and to gain a scientific basis for this forming method. By providing all technical components such as equipment and software, its technical practicability is proven.

Chapter 2 systematically describes the state of the art of conventional and incremental sheet metal forming processes.

In chapter 3 today’s sheet metal production is analyzed based on published literature.

In chapter 4, the concept of the system and the process cycle are presented. In addition, several alternatives of sub-systems and systems, which combine the hammering forming process with other forming, cutting and joining methods, are shown.

Chapter 5 describes the realization of the first test facility for the hammering forming process according to the selected variants of the sub-systems. A first fundamental research is described in compliance with the first main point of examination defined in chapter 3. The acquired scientific knowledge was applied to increase the application area of the hammering forming process by deriving new forming strategies for the product of sheet metal parts with more complex geometries and improved geometrical accuracy.

In chapter 6 a one-dimensional mechanical model of the robot cell for hammering sheet metal forming is presented based on well-chosen assumptions and simplifications. After the derivation and verification of the mechanical model, the model is used for a theoretical examination of vibrations to formulate qualitative and quantitative statements concerning the dimensioning of the hammering tool and the industrial robot.

In chapter 7 a prototypical pilot installation is presented, consisting of the sub-systems for fixing and supporting the sheet metal, the hammering tool and the software for path generation. The combined sub-systems for fixing and supporting the sheet metal and the hammering tool are realized in accordance with the solution variants in chapter 4. The pilot installation is used for testing the hammering sheet metal forming process and the developed components by producing several demonstration sheet metal parts and one sheet metal prototype for the automobile industry.