Technologische Betrachtung zur Vorgehensweise der Fertigung eines Fahrzeugquerstabilisators

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelzeichenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Methodische Vorgehensweise

2 Werkstoffauswahl

3 Scherschneiden

4 Zuschnittermittlung
4.1 Ermittlung der gestreckten Länge

5 Berechnung der Streifenausnutzung
5.1 Ermittlung der Werkstückoberflächen
5.1.1 Berechnung der Winkelstückoberfläche
5.1.2 Berechnung der Strebenoberfläche
5.2 Ermittlung der Rand- und Stegbreiten sowie des Seitenschneiderabfalls
5.3 Betrachtung der möglichen Streifenbildvarianten
5.3.1 Variante 1 Einzelfertigung - Ausschneidoperation
5.3.2 Variante 2 kombinierte Fertigung - Ausschneidoperation
5.3.3 Variante 3 kombinierte Fertigung - Ausschneid- und Umformoperation

6 Ermittlung des Materialbedarfs und der Materialkosten
6.1 Gegenüberstellung aller Varianten

7 Untersuchung möglicher Werkzeugbauarten
7.1 Getrenntes Schneid- und Biegewerkzeug
7.2 Folgeverbundwerkzeug
7.3 Gesamtverbundwerkzeug

8 Variantenvergleich Olaf Fritzsche Technikerarbeit

9 Ermittlung des Schneidspaltes
9.1 Berechnung des Schneidspaltes

10 Ermittlung des Kraftbedarfs für Schneid- und Abstreifkräfte
10.1 Berechnung der Schneid- und Abstreifkräfte
10.2 Berechnen der einzelnen Stempel - Schnittlinienlängen lS
10.3 Ermittlung der Einzel- bzw. Gesamtschneid- und Abstreifkräfte

11 Betrachtung des Biegens
11.1 Berechnung der Biege- und Niederhalterkraft
11.2 Berechnung der Rückfederung
11.3 Ermittlung der erforderlichen Biegeradien

12 Auswahl der Presse
12.1 Ermittlung des Gesamtkraftbedarfs der Presse
12.2 Pressenauswahl
12.3 Mögliche Maßnahmen zur Reduzierung der Schneidkraft

13 Schweißen
13.1 Verfahrensbeschreibung
13.2 Schweißvorrichtung

14 Gewindebohren

15 Auswahl eines geeigneten Beschichtungsverfahrens
15.1 Verfahrensbeschreibung - Brünieren
15.2 Verfahrensvergleich - Heißbrünieren / Kaltbrünieren

16 Unfallverhütung
16.1 Unfallverhütung an Schneidwerkzeugen
16.2 Unfallverhütung beim Schweißen
16.3 Unfallverhütung beim Oberflächenbeschichten

17 Schlussbetrachtung

Anhang

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Phasen des Schneidvorgangs am Beispiel Lochen einer Platine

Abbildung 2: Fertigungssystem zur automatischen Bandverarbeitung

Abbildung 3: Winkelstück mit Schenkelbemaßung

Abbildung 4: Winkelstückabmessung l0 vor der Biegung

Abbildung 5: Winkelstück in Einzelflächen zerlegt

Abbildung 6: Strebe in Einzelflächen zerlegt

Abbildung 7: Anordnung der Winkelst. quer zum Streifen - Ausschneidoperation

Abbildung 8: Anordnung der Streben längs zum Streifen

Abbildung 9: Zusätzlich anfallender Materialverlust

Abbildung 10: Anordnung der Bauteile für eine kombinierte Fertigung Ausschneidoperation

Abbildung 11: Anordnung der Bauteile für eine kombinierte Fertigung Ausschneid- und Umformoperation

Abbildung 12: Schneidplatte mit abgesetztem Freiwinkel

Abbildung 13: Schneidspalt u2 zwischen Stempel und Schneidplatte

Abbildung 14: Richtwerte für den Abstreifkraft - Faktor CR

Abbildung 15: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 16: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 17: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 18: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 19: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 20: Aktive Schnittlinien - Stempel

Abbildung 21: Biegen mit Niederhalter

Abbildung 22: Überbiegung (Rückfederungsdarstellung)

Abbildung 23: Aufbau einer hydraulischen Presse

Abbildung 24: Technische Ausstattung hydraulischer Pressen der Firma Schuler AG

Abbildung 25: Schneidstempelanschliffe

Abbildung 26: Unterschiedliche Schneidstempelanordnung

Abbildung 27: MAG - Schweißroboter

Abbildung 28: MAG - Schweißeinrichtung

Abbildung 29: Spannskizzen - Entwurf für Schweißvorrichtung

Abbildung 30: Gewindebohren

Abbildung 31: Werkstück vor dem Brünieren

Abbildung 32: Werkstück nach dem Brünieren

Abbildung 33: Sicherheitsgerechte Abstände an Schneidwerkzeugen

Abbildung 34: Unfallverhütung bei Messerschneidwerkzeugen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Festigkeitskennwerte nach DIN 743-

Tabelle 2: Richtwerte für die Abmessungen von Rand- und Stegbreiten sowie für den Seitenschneiderabfall

Tabelle 3: Ermittlung des Materialbedarfs und der Materialkosten

Tabelle 4: Variantenvergleich - Gesamtbewertung

Tabelle 5: Einzel- bzw. Gesamtschneid- und Abstreifkräfte

Tabelle 6: Vergleich - Heißbrünieren / Kaltbrünieren

Formelzeichenverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

In der Einleitung werden Problemstellung, Zielsetzung und methodische Vorgehensweise dieser Arbeit erläutert.

1.1 Problemstellung

Für die Automobilindustrie soll ein Fahrzeugquerstabilisator hergestellt werden, der bereits als Prototyp vorliegt (siehe Zeichnungen 1 bis 3 im Anhang 1). Unter Voraussetzung folgender Vorgaben soll die technologische Vorgehensweise bei der Fertigung dieses Fahrzeugquerstabilisators unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte abgehandelt werden:

- Der Fahrzeugquerstabilisator ist lediglich geringer Beanspruchung ausgesetzt.
- Die Herstellung muss in weitestgehend automatisierten Fertigungsprozessen erfolgen.
- Die Fertigung soll u.a. mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges umgesetzt werden.
- Der Werkstückwerkstoff wird als Coil angeliefert (Streifenband).
- Es ist ein geeignetes Schweißverfahren auszuwählen.
- Ein Korrosionsschutz sowie eine optische Aufwertung des Werkstücks soll durch ein geeignetes Oberflächenbeschichtungsverfahren erfolgen.
- Die zu fertigende Jahresstückzahl beträgt 200 000 Stück.

In der Arbeit sollen mögliche Fertigungsverfahren vorgestellt und bezüglich des zu fertigenden Fahrzeugquerstabilisators erläutert werden. Anhand von Erhebungen soll die Auswahl für die Fertigung notwendiger Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen vorgenommen werden.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist die technologische Betrachtung zur Vorgehensweise der Fertigung eines Fahrzeugquerstabilisators unter Berücksichtigung verschiedener Fertigungsverfahren. Es gilt einen für das Werkstück geeigneten Werkstoff auszuwählen sowie die aus technologischer und aus wirtschaftlicher Sicht günstigste Fertigungsvariante anhand der Vorgaben zu ermitteln. Im Rahmen der Untersuchung werden die für die Fertigung erforderlichen Verfahren ausgewählt, analysiert und ausgewertet. Bezugnehmend auf die durchzuführenden Analysen und Auswertungen werden Hinweise zur Auswahl geeigneter Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen gegeben sowie erforderliche Voraussetzungen genannt.

1.3 Methodische Vorgehensweise

Hinsichtlich der zur Herstellung des Fahrzeugquerstabilisators zu verwendenden Fertigungsverfahren wird zunächst eine Werkstoffauswahl unter Berücksichtigung technologisch geforderter Aspekte getroffen. Da die Fertigung u.a. durch ein Schneidwerkzeug erfolgt wird im Einzelnen auf die Technologie des Schneidvorgangs eingegangen.

Um eine hohe Effizienz des Schneidwerkzeuges zu erreichen, werden anhand der Werkstückabmessungen geeignete Streifenbildvarianten erstellt und ausgewertet. Zudem werden der Materialausnutzungsgrad und die davon abhängigen Materialkosten für die einzelnen Varianten dargestellt. Im Rahmen einer Pro- und Kontraanalyse erfolgt eine Gegenüberstellung der für die verschiedenen Streifenbildvarianten nötigen Werkzeugbauarten. Diese und weitere Bewertungskriterien werden für die Auswahl einer Fertigungsvariante des Fahrzeugquerstabilisators herangezogen.

Berechnungen von Schneid-, Biege- und Abstreifkräften werden für eine ausgewählte Variante durchgeführt und die entsprechende Vorgehensweise wird näher erläutert. Es wird der Gesamtkraftbedarf ermittelt und in Abhängigkeit dessen sowie der zu produzierenden Jahresstückzahl und der erforderlichen Werkzeugbauart letztlich eine Vorauswahl der Presse vorgenommen.

Für die Fertigung werden entsprechende Verfahren des Schweißens, Gewindeschneidens und Beschichtens ausgewählt und im Einzelnen vorgestellt. Des Weiteren werden Hinweise für eine definierte Lagesicherung des Fahrzeugquerstabilisators innerhalb einer Schweißvorrichtung gegeben.

Um mögliche Unfälle zu vermeiden wird u.a. auf Unfallverhütungsvorschriften der einzelnen Fertigungsverfahren eingegangen. Am Ende der Arbeit erfolgt die Auswertung der gewonnenen Erkenntnisse in Hinblick auf die weitere Vorgehensweise für die Konstruktion der erforderlichen Werkzeuge.

2 Werkstoffauswahl

Bei einer Werkstoffauswahl müssen je nach Anforderung an das Werkstück verschiedene Kriterien der Werkstoffeigenschaften betrachtet werden. Für die Auswahl eines für den Fahrzeugquerstabilisator geeigneten Werkstoffes werden Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit berücksichtigt. Da der Stabilisator lediglich geringen Beanspruchungen ausgesetzt ist, ist die Auswahl eines normalen Stahlbaustahls ausreichend. Auf Legierungselemente, die den auszuwählenden Werkstoff korrosionsbeständiger machen, kann verzichtet werden, da das Werkstück durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren einen grundlegenden Korrosionsschutz erhält. Für die Fertigung des Werkstücks ist es jedoch wichtig, dass der ausgewählte Werkstoff eine gute Schweißeignung besitzt. Aus diesen Gründen wird der Werkstoff S235JRG2 (alte Bezeichnung St 37-2) ausgewählt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei diesem Werkstoff handelt es sich um einen warmgewalzten, unlegierten Stahlbaustahl, der nicht normalisiert, jedoch mit der Güteklasse 2 nach allen Verfahren schweißbar ist.

Tabelle 1: Festigkeitskennwerte nach DIN 743-2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Roloff / Matek Maschinenelemente, eigene Darstellung

3 Scherschneiden

Scherschneiden ist das Zerteilen von Werkstücken zwischen zwei Schneiden, die sich aneinander vorbeibewegen (spanlos).

Schneidvorgang

Nach Auftreffen des Schneidstempels auf das Werkstück „bleibt der Stempel kurz stehen“, wobei sich Antrieb, Gestellbauteile, Werkzeug und Blech elastisch „verformen“ (auffedern).

Wenn die Pressenkraft die Größe des Scherwiderstandes des zu schneidenden Blechs erreicht, beginnen die Schneidkanten in das Blech einzudringen. Infolge des Schneidspaltes erzeugen die Kräfte an den Schneidkanten ein Biegemoment, dadurch kommt es zu einer Blechdurchbiegung und einem Abheben des Blechs von der Stempelstirnfläche. Beim weiteren Eindringen des Stempels beginnt der Werkstoff unter der Schubspannung an zu fließen, solange das Formänderungsvermögen nicht überschritten ist (Glattschnittanteil). Durch den Werkstofffluss entsteht ein Kanteneinzug (Einziehrundungen). Das Formänderungsvermögen ist im Zugspannungsbereich früher erschöpft als im Druckspannungsbereich, dadurch entstehen von der Matrize aus erste Risse im zu schneidenden Werkstoff (Überwindung der Scherfestigkeit). Die Risse breiten sich von Matrize und Stempel in Richtung der maximalen Schubspannungen im Blech aus, daraufhin erfolgt ein Durchreißen des Blechs. Durch die Werkstoffelastizität entstehen Rückformkräfte, welche in Form von Rückfederung auf den sich noch im Werkstoff befinden Schneidstempel wirken. Dadurch klemmt sich das Blech auf der Schneidstempeloberfläche fest und wird beim Rückhub erst an der Abstreif- bzw. Stempelführungsplatte abgestreift (Rückzugs- bzw. Abstreifkraft FR). Der gesamte Schneidvorgang wird in Abbildung 1 am Beispiel des Lochens einer Platine dargestellt.

Abbildung 1: Phasen des Schneidvorgangs am Beispiel Lochen einer Platine

Abbildung 2: Fertigungssystem zur automatischen Bandverarbeitung

Quelle: WH Zwickau (FH)

Die zweiteiligen, formgebundenen Schneid- werkzeuge werden meist in Pressen eingebaut und besitzen ein Ober- und Unterteil. Bei der Massenfertigung wird häufig mit aufgerollten Blechbändern gearbeitet, die von Haspeln (Coils) automatisch abgewickelt und der Presse zugeführt werden (siehe Abbildung 2). Durch die hohe Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen ist das Scherschneiden in vielen Fertigungsbereichen nicht mehr wegzudenken.

Abbildung 2: Fertigungssystem zur automatischen Bandverarbeitung

Abbildung 2: Fertigungssystem zur automatischen Bandverarbeitung

Quelle: WH Zwickau (FH)

Quelle: WH Zwickau (FH)

4 Zuschnittsermittlung

Für die Ermittlung des späteren Streifen- bzw. Bandzuschnitts ist es nötig, die gestreckte Länge des Biegeteils (Winkelstück) zu ermitteln.

4.1 Ermittlung der gestreckten Länge

Für die Ermittlung der gestreckten Länge des Winkelstücks werden die für die Berechnung notwendigen Schenkellängen mit Hilfe von Autodesk 2008 separat bemaßt (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Winkelstück mit Schenkelbemaßung

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Abbildung 2: Fertigungssystem zur automatischen Bandverarbeitung

Quelle: WH Zwickau (FH)nkel: = 120°

Berechnung des Korrekturfaktors k nach DIN 6935

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Winkelstückabmessung l0 vor der Biegung

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Die für die Streifenabmessung erforderliche Breite ergibt sich unter Berücksichtigung der Stegund Randbreiten sowie des Seitenschneiderabfalls aus der gestreckten Länge l0 = 195 mm des Winkelstücks (siehe Abbildung 4).

5 Berechnung der Streifenausnutzung

Zur Berechnung der optimalen Streifenausnutzung ist es erforderlich, die Oberflächen der einzelnen Werkstücke zu berechnen.

5.1 Ermittlung der Werkstückoberflächen

Zur Vereinfachung der Berechnung für die eigentliche Werkstückoberfläche von Winkelstück und Strebe werden diese zunächst in Teilflächen zerlegt.

5.1.1 Berechnung der Winkelstückoberfläche

In Abbildung 5 wird die Gesamtoberfläche des Winkelstücks in einzelne Teilflächen (A1, A2 und A3) zerlegt.

Abbildung 5: Winkelstück in Einzelflächen zerlegt

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Nach der Definition der einzelnen Teilflächen werden sie durch die entsprechenden Formeln und Abmessungen (siehe Zeichnung 2 im Anhang 1) berechnet. Die Berücksichtigung der Werkstückdurchbrüche ist für die Festlegung des Streifenbildes nicht notwendig, da dieser Materialverlust bei allen Varianten gleich groß und bei der Herstellung der Werkstücke unvermeidbar ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Gesamtoberfläche AWges des Winkelstücks beträgt 4476 mm².

5.1.2 Berechnung der Strebenoberfläche

In Abbildung 6 wird die Gesamtoberfläche der Strebe in einzelne Teilflächen (A1 bis A5) zerlegt.

Abbildung 6: Strebe in Einzelflächen zerlegt

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Nachfolgend werden die einzelnen Teilflächen durch die entsprechenden Formeln und Abmessungen (siehe Zeichnung 3 im Anhang 1) berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Gesamtfläche ASt ges der Strebe beträgt 947,62 mm².

5.2 Ermittlung der Rand- und Stegbreiten sowie des Seitenschneiderabfalls

Rand- und Stegbreiten müssen eingehalten werden, um ein sauberes und maßhaltiges Ausschneiden der Werkstücke zu gewährleisten. Für die auszuschneidenden Werkstücke mit einer Blechdicke von s = 5,0 mm gilt Tabelle 2.

Tabelle 2: Richtwerte für die Abmessung von Rand- und Stegbreiten sowie Seitenschneiderabfall

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Dreistern GmbH Co. KG, eigene Darstellung

5.3 Betrachtung der möglichen Streifenbildvarianten

Grundlegend stehen zwei Varianten für die Einzelteilanordnung zur Auswahl. Es besteht die Möglichkeit der Einzelfertigung, wobei jeweils ein separates Streifenbild für Winkelstück bzw. Strebe nötig ist und lediglich ein Ausscheiden der Bauteile erfolgt. Des Weiteren kann die Herstellung der Einzelteile durch eine kombinierte Fertigung, bei der sich Winkelstück und Strebe innerhalb eines Streifenbildes befinden, erfolgen. Hierfür bestehen zwei Fertigungsalternativen, wobei die Bauteile wie auch bei der Einzelfertigung für die Weiterverarbeitung lediglich ausgeschnitten werden oder aber eine gleichzeitige Schneid- und Umformoperation der Bauteile durchgeführt wird.

5.3.1 Variante 1 Einzelfertigung - Ausschneidoperation

Auf Grund der geometrischen Form des Winkelstücks ist die Anordnung des Bauteils quer zum Streifen bei einer Einzelfertigung am günstigsten. Die Herstellung von Winkelstück und Strebe erfolgt bei Variante 1 durch ein Ausschneiden. Als Materialverschnitt bleibt dabei ein Streifengitter zurück.

Die Verwendung eines Seitenschneiders zur Vorschubbegrenzung ist hierbei nicht vorgesehen, da diese Maßnahme unter Umständen einen wesentlich höheren Materialverschnitt mit sich bringen würde. Die Vorschubbegrenzung erfolgt deshalb bei beiden Bauteilen über einen NC - gesteuerten Bandeinlauf. Für eine weitere Lagejustierung der Schnittstreifen werden sogenannte Suchstifte verwendet, diese sorgen zusätzlich für eine genaue Vorschub- und Lagebegrenzung der Streifen innerhalb der Presse. Die Anordnung des Winkelstücks quer zum Streifen wird in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Anordnung der Winkelst. quer zum Streifen - Ausschneidoperation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Die günstigste Anordnung der Strebe bei einer Einzelfertigung ist längs zum Streifen. Hierbei beschränkt sich der durch die geometrische Form der Strebe bedingte Materialverlust lediglich auf den Anfang und das Ende des jeweiligen Schnittstreifens (siehe Abbildung 8).

Abbildung 8: Anordnung der Streben längs zum Streifen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Berechnung des entstehenden Materialverlustes zu Beginn und Ende eines Streifens

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Zusätzlich anfallender Materialverlust

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Der theoretisch anfallende Materialverlust zu Beginn und Ende eines Streifens beträgt jeweils 134,95 mm². Das entspricht einem zusätzlichen Gesamtmaterialverlust von 269,9 mm² pro Schnittstreifen. Da es sich hierbei um einen verhältnismäßig kleinen Verlust handelt, der nur einmal pro Streifen anfällt, wird dieser Wert bei der Berechnung des Ausnutzungsgrades nicht berücksichtigt.

Berechnung des Ausnutzungsgrades für Winkelstück und Strebe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

H " Der Materialausnutzungsgrad für Streifenbildvariante 1 beträgt 66,1 %.

Die technischen Zeichnungen für Streifenbildvariante 1 werden im Anhang 3 dargestellt.

5.3.2 Variante 2 kombinierte Fertigung - Ausschneidoperation

Bei der kombinierten Fertigung ist die günstigste Anordnung der Werkstücke ebenfalls quer zum Streifen. Zur Erhöhung des Materialausnutzungsgrades werden jeweils 2 Streben zwischen 2 Winkelstücken angeordnet. Wie auch bei Variante 1 erfolgt die Herstellung der Werkstücke durch ein Ausschneiden, d.h. auf die Vorschubbegrenzung durch einen Seitenschneider und den damit verbundenen erhöhten Materialverschnitt wird verzichtet. Alternativ erfolgt die Vorschubbegrenzung wie bei Variante 1 durch einen NC - gesteuerten Bandeinlauf und Suchstifte.

Abbildung 10: Anordnung der Bauteile für eine kombinierte Fertigung Ausschneidoperation

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Berechnung des Ausnutzungsgrades beider Werkstücke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die technische Zeichnung für Streifenbildvariante 2 wird im Anhang 3 dargestellt.

5.3.3 Variante 3 kombinierte Fertigung - Ausschneid- und Umformoperation

Die Anordnung der Bauteile für eine kombinierte Ausschneid- und Umformoperation erfordert, dass ein Ausschneiden von Winkelstück und Strebe sowie ein Biegen des Winkelstücks problemlos möglich ist. Hierbei kommen zwei Seitenschneider zum Einsatz, welche den Schnittstreifen auf die gestreckte Länge der Winkelstücke zuschneiden und gleichzeitig den Vorschub begrenzen. Auf einen NC - gesteuerten Bandeinlauf kann ggf. verzichtet werden, wenn die Vorschubbegrenzung des Seitenschneiders zusätzlich durch Suchstifte unterstützt wird.

Abbildung 11: Anordnung der Bauteile für eine kombinierte Fertigung Ausschneid- und Umformoperation

Quelle: Eigene Darstellung, (Autodesk 2008)

Berechnung des Ausnutzungsgrades

Die technische Zeichnung für Streifenbildvariante 3 wird im Anhang 3 dargestellt.

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