Basic Investigations of the Incremental Sheet Metal Forming Process on a CNC Milling Machine

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Bei konventionellen Blechumformverfahren kommen spezielle, werkstückspezifische Werkzeuge zum Einsatz, die unter hohen Zeit- und Kostenaufwand entwickelt und produziert werden. Die Inkrementelle Blechumformung (ISMF) ist eine neue Fertigungstechnologie mit in der Entwicklungsperspektive universal einsetzbaren, werkstückunabhängigen Werkzeugen. Daher bietet dieses Verfahren eine höhere Flexibilität und eine wesentliche Verkürzung der Produktentwicklungszeiten und ist besonders für die Kleinserienfertigung geeignet. Es arbeitet normalerweise mit einem fixierten, formgebenden Stützwerkzeug und nur einem kleinen, bewegten Werkzeug, das die Sollgeometrie auf das Blech abbildet. Ziel dieser Arbeit sind grundlegende Untersuchungen zur Inkrementellen Blechumformung sowie die Untersuchung verschiedener flexibler Abstützungsstrategien, um erste Kenntnisse für die Realisierung einer Umformmaschine für einen hochflexiblen Prozess, dem sog. Kinematischen Inkrementellen Blechumformen (KISMF), zu gewinnen. Ein wichtiger Schwerpunkt dieser Untersuchungen war die Analyse geeigneter Werkzeugbahnen innerhalb eines universellen CAD/CAM-Systems als wesentliche Vorraussetzung für die Entwicklung einer Prozesssteuerung bei der ISMF. Die berechneten Werkzeugbahnen wurden auf einer konventionellen CNC-Fräsmaschine realisiert und die speziellen Einsatzgrenzen des CAD/CAM-Systems sowie der Maschine bestimmt. Die experimentellen Ergebnisse bildeten die Voraussetzung für eine Optimierung von Prozessvariablen einschließlich der Werkzeugbahnen. So sollte die Bauteilqualität erhöht und der Werkzeugeinsatz vereinfacht werden. Die Versuche an zunehmend komplexen Versuchsbauteilen führten zu Aussagen über günstige Prozesssteuerungsgrößen, entsprechende Werkzeugbahnen und die Beeinflussung der Bauteilqualität. In diesem Zusammenhang wird über verschiedene Techniken einer flexiblen Werkstückunterstützung berichtet, insbesondere über die Blechdickenreduzierung in Abhängigkeit vom eingestellten Spaltmaß zwischen Stützwerkzeug und Formgebungsstempel. Der Einfluss optimierter Spaltmasse wurde an einem komplexen Bauteil mit fast senkrechten Seitenwänden nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass die die Anwendung des Sinus-Gesetzes zur Beschreibung der Blechdickenabnahme für diese extremen Scheitelwinkel nicht geeignet ist. Die Forschungsarbeiten schließen mit der Erarbeitung eines Ansatzes zur Umformung vorgeformter Bleche, durch deren Anwendung die Ausdünnung auch bei sehr kleinen Scheitelwinkeln reduziert werden konnte. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen zum ISMF werden einige Ideen zum KISMF vorgestellt sowie zukünftige Potentiale und Entwicklungsfelder für eine Blechteilproduktion mit einfachen, flexiblen Werkzeugen sowie die Erweiterung des Einsatzspektrums für dieses Fertigungsverfahren werden benannt.