Analytische und simulative Betrachtung eines Oberflächenhämmerprozesses

Abstract

Das maschinelle Oberflächenhämmern ist eine Technologie, die in den letzten Jahren vor allem im Bereich des Umformwerkzeugbaus für die Automobilindustrie weite Verbreitung findet. So werden z.B. im Mercedes Benz Werk in Sindelfingen sämtliche relevanten Serien-Ziehwerkzeuge durch maschinelles Oberflächenhämmern bearbeitet. Aufgrund dieser Entwicklung wurden an verschiedenen Universitäten weltweit die Auswirkungen und das Potential der genannten Technologie erforscht. Fokus der Forschungsarbeiten liegt dabei auf den Effekten auf das Werkstück und die behandelte Oberfläche, während die Technik zur Aufrechterhaltung des Prozesses im Hintergrund steht. In Zeiten, in denen Schlagworte wie Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und grüne Technologie immer mehr an Bedeutung gewinnen und bereits rechtliche Rahmen-bedingungen in diesem Bereich geschaffen wurden, ist es für die Gestaltung von Produktionsmitteln immer wichtiger, eingebrachte Energie effektiv umzusetzen. Aus diesem Grund sind ein besseres Verständnis des Hämmerprozesses an sich und eine umfassende Analyse und Optimierung der Aktuatorik notwendig, um den Anforderungen an ein modernes Produktionssystem gerecht zu werden. In dieser Arbeit wurde das Verfahren des maschinellen Oberflächenhämmerns mit Rückschlag analytisch betrachtet und für diesen Prozess ein Formelwerk auf Basis der Energieerhaltung, der Gleichung für den teilelastischen Stoß und der Arbeit aufgestellt. Dadurch ist ein Abschätzen der erreichbaren Hämmerfrequenz, des Schlagabstandes, der notwendigen Antriebsleistung und der resultierenden Schlagenergie möglich. Weiters wurde ein Symmetriefaktor - eingeführt, der die Aufprallgeschwindigkeit am Werkstück und der internen Bewegungsumkehr ins Verhältnis setzt. Dieser Faktor erlaubt eine Bewertung der Energieverteilung im System und der Effektivität des Prozesses. Anschließend erfolgte die Aufstellung eines Mehrkörper-Modells zur Simulation des Prozesses und der Implementierung in das Programm Matlab© Simulink. Mit dessen Hilfe ist es möglich, einen Hämmerprozess mit allen seinen Einflussfaktoren zu simulieren. Für die Parametrierung und Validierung erfolgten zudem umfangreiche messtechnische Untersuchungen an einem Hämmeraktuator der Firma AccuraPuls. Es hat sich gezeigt, dass das Modell eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten aufweist und sich somit für Tests von virtuellen Systemmodifikationen eignet. Als Beispiel wurde hierfür das Ansteuersignal des Aktuators optimiert, wodurch sich eine Erhöhung der Schlagfrequenz bei gleicher Schlagenergie und eingebrachter Leistung ergibt. Darüber hinaus wurde eine Untersuchung des Einflusses der Eigenfrequenz des Werkstückes unternommen. Zusammenfassend hat die gegenständliche Arbeit zu einem beseren Verständniss des dynamischen Ablaufs und des Einflusses der einzelnen Baugruppen geführt. Dadurch wird es den Systemherstellern erleichtert, Optimierungen an einem Aktuatorsystem vorzunehmen, zu testen und die Entwicklungszeit einer nachfolgenden Systemgeneration zu minimieren.

In the recent years the technology of machine hammer peening has been widely spread, especially in the automobile industry. As an example, Mercedes-Benz, at its factory in Sindelfingen, finishes all its relevant deep-drawing tools, through machine hammer peening. Due to this development various universities worldwide, have researched the potential of this technology. Thereby the strategic focus of the majority of research studies is on the effect machine hammer peening has on the material and the surface treatment potential. The performing machine tool and its dynamic behavior was second-ranked in this papers. In times when energy efficiency, sustainability and green technology are of increasing interest, and first regulatory framework had already been set, the development of energy efficient machine tools is of utmost importance. Therefore it is necessary to gain a better understanding of the dynamic process and a detailed analysis and optimisation of the peening actuator, to meet the needs of a modern production environment. Within this research paper an analytic solution of the process of machine hammer peeing, based on conservation of energy and inelastic collision, was developed. Thereby it is possible to estimate the reachable hammering frequency, the stroke, the necessary driving power and the resulting stroke energy. Furthermore a symmetry factor - had been introduced, that correlates impact velocity and rebound velocity. Therewith the possibility to benchmark the energy distribution of peening operations is given. A multi-body system has been developed and implemented in the program Matlab© Simulink. Herewith it is possible to simulate a peeing process including all influencing factors. Moreover extensive metrological investigations on an electromagnetic hammering device for parameterization and validation of the model have been carried out. The simulation and the measurements are showing a good correlation and are therefore well suited for virtual system modification tests. As an example the optimization of the driving signal has been chosen. This results in an increase of the hammering frequency at constant stroke energy and driving energy. A second example shows the influence of the resonance frequency of the work piece. In summary the research paper has lead to a better understanding of the dynamic behaviour of an peening process and the influence of system parameters. Its findings will assist system developers to reduce the effort and time to market of system enhancements.