Produkte mit durch Umformung hergestellten Komponenten sind aus vielen Lebensbereichen nicht mehr wegzudenken.Als wohl bekannteste Vertreter seien hier die Automobile, Elektro- oder Haushaltsgeräte genannt. Die im Markt vorherrschenden Zwänge zur wirtschaftlichen Fertigung qualitativ hochwertiger Produkte stellen auch neue Anforderungen an den Fertigungsprozess beim Umformen.
Aktualisiert: 2020-08-18
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Im Bereich der Fertigungstechnik im Allgemeinen und bei den für Stanz- und Umformoperationen eingesetzten Pressmaschinen im Speziellen spielt das Genauigkeitsverhalten eine für das Produktionsergebnis wesentliche Rolle. Den in der Vergangenheit ständig gestiegenen Anforderungen an die Produktqualität, die Prozesssicherheit und die Werkzeugstandzeit wurde zunächst mit der Untersuchung und Optimierung des statischen Pressenverhaltens begegnet. Über die statischen Eigenschaften hinaus, wird die Genauigkeit einer Umformmaschine wesentlich durch ihr dynamisches Verhalten, d.h. durch ihre Schwingungseigenschaften bestimmt.
Mit der oben genannten Entwicklung ging in den letzten 30 Jahren eine rasante Entwicklung im Bereich der numerischen Berechnungsverfahren einher. Nachdem insbesondere auf dem Finite-Elemente-Verfahren basierende Berechnungsmethoden zur statischen Auslegung von Pressengestellen in der industriellen Praxis Einzug gehalten haben, gibt es zunehmend die Notwendigkeit, auch das dynamische Verhalten durch Modellrechnungen abzubilden. Zur Modellierung der dynamischen Wechselwirkungen im komplexen Pressengesamtsystem oder in komplexen Pressenteilsystemen wurden zunehmend die Methoden der Mehrkörpersimulation genutzt. Zunächst steht vor allem die Abbildung bereits existierender Maschinen im Vordergrund, um die komplexen Wirkzusammenhänge in der Pressmaschine auf Basis von abgeglichenen Modellen kennen zu lernen, d.h. analysierbar und bewertbar zu machen. Mit den angestrebten Modellierungsgrundlagen soll künftig die Auslegung neuer Maschinen konstruktionsbegleitend unterstützt werden.
Die Modellierungsgrundlagen (Forschungsstelle 1: Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der TU Dresden) schließen sowohl die Erarbeitung einer problem- und baugruppenspezifischen Modellbildung als auch die Ermittlung der erforderlichen Parameter inklusive der Parameterabschätzung und der experimentellen Verifikation (Forschungsstelle 2: Institut für Produnktionstechnik und Umformmaschinen) ein. Neben diesen Punkten spielen rein praktische Aspekte im Modellumgang eine wichtige Rolle wie die für praxisrelevante Rechenzeiten wesentliche Reduktion von Freiheitsgraden.
Der vorliegende Abschlussbericht soll diesem Umfang Rechnung tragen und sowohl eine Vorgehensweise zur rechnerischen Abbildung von Pressmaschinen als auch einen Methodenkatalog zur messtechnischen Erfassung von Maschinenparametern bereitstellen. Hinsichtlich der rechnerischen Abbildung wurden die Eigenschaften der wesentlichen Pressenbestandteile besprochen und ihre Darstellung in verschiedenen Abstraktionsstufen beschrieben. Für die einzelnen Simulationsmodelle wurde eine Abschätzung des Leistungsvermögens auf der einen und des Bearbeitungsaufwands auf der anderen Seite getroffen. Neben der Entwicklung eines Modellierungsleitfadens war es Ziel des Vorhabens, die Messmethoden zur Erfassung der dynamischen Maschinenparameter darzustellen.
Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens werden die Grundlagen für die Entwicklung genauerer und produktiverer Pressmaschinen geschaffen, indem mithilfe der modellgestützten und experimentellen Analysemethoden die Eigenschaften der Pressen unter Betriebsbedingungen analysierbar, bewertbar und damit gezielt gestaltbar werden. Die Beschreibung der Ergebnisse soll den Anspruch nach Transparenz und Nachvollziehbarkeit erfüllen und damit auch für kleine und mittlere Unternehmen ohne spezialisierte Berechnungsabteilungen anwendbar und damit technisch und wirtschaftlich zu verwerten sein.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Blechstanzteile sind als mechanische Bauteile im gesamten Spektrum technischer Produkte zu finden. Produziert werden diese Teile in großen Mengen auf weggebundenen Schnellläuferpressen. Ein Nachteil des Scherschneidens ist der verfahrensbedingte Werkzeugverschleiß. Speziell an den Stempeln tritt Mantel- und Stirnflächenverschleiß auf. Dies hat Auswirkungen auf die Schnittflächenqualität, die mit fortschreitendem Verschleiß abnimmt. Der Verschleiß wird von der Reibung des Werkzeugs am Werkstück während des Schneidprozesses verursacht. Erhöht wird die Reibung jedoch, wenn aufgrund von Maschinenschwingungen der Stempelweg von einer Schwingbewegung überlagert wird. Dies führt zu einer Verlängerung des Kontaktweges und zu einer Erhöhung der Relativgeschwindigkeit in der Kontaktzone.
Im Rahmen des Projektes wurden zwei mechanische Schnellläuferpressen untersucht. Durch Erfassung der Schwingfrequenzen und -formen konnten die kritischen Frequenzbereiche der Stößelschwingung bestimmt werden. Hierbei wurden die Methoden der Modalanalyse und der Betriebsschwingungsanalyse verwendet. Die kritische Schwingfrequenz wurde bei beiden Pressen bei ca. 150 Hz beobachtet. Bei dieser Frequenz lag eine Hub/Kippschwingung vor, die sowohl durch ihre Amplitude als auch durch Ihre Schwingform den größten Werkzeugverschleiß verursacht.
Durch den Einsatz eines Reibungsdämpfers, bei dem die Dämpferparameter Masse, Federsteifigkeit und Reibkraft manuell optimal eingestellt wurden, konnte dieser kritische Frequenzbereich gedämpft werden. Hierdurch war eine Reduzierung der Schwingungsamplitude im Frequenzspektrum um die Hälfte möglich. Bezüglich der konstruktiven Auslegung sowie der Parametrierung des Reibungsdämpfers wurden modellgestützte Methoden (MKS) angewendet. Die auf Basis der Messergebnisse abgestimmten Simulationsmodelle wurden zum Dämpfertest angewendet. Damit konnten die optimalen Dämpferparameter ermittelt.
Abschließende Langzeitverschleißuntersuchungen konnten die Wirksamkeit des Dämpfers nachweisen. Eine Schnellläuferpresse wurde im Ausgangszustand und im dämpfungsoptimierten Zustand mit einem Referenzwerkzeug über 100.000 Hübe betrieben und das Fortschreiten des Werkzeugverschleißes beobachtet. Es lies sich eine Verschleißreduktion von nahezu 50 % nachweisen.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Ein Verfahren zur wirtschaftlichen Fertigung von Schnittflächen, die sich hinsichtlich ihres Traganteils und ihrer Rechtwinkligkeit als Funktionsflächen, wie z.B. Passungen und Führungen eignen, ist das Nachschneiden. Dies wird durch einen zweiten Schneidprozess, der eine vorgeschnittene Kontur nachschneidet, erreicht. Die Eignung als Funktionsfläche der neu entstandenen Schnittfläche rührt aus dem veränderten Spannungszustand im Werkstück aufgrund der geringen Steifigkeit des abgetrennten Stanzabfalls.
Zur Untersuchung der Prozessparameter beim Nachschneiden schergeschnittener Konturen wurden Versuche an einer mechanischen Schnellläuferpresse durchgeführt. Es kam ein fünfspuriges Lochwerkzeug zum Einsatz.
Die Parameteruntersuchungen wurden an sieben verschiedenen Blechwerkstoffen durchgeführt.
Die zu variierenden Parameter waren die Nachschneidzugabe, also der Abstand zwischen vorgeschnittener und nachgeschnittener Kontur, der Schneidspalt, der Beölungszustand und der Schneidwerkstoff.
Für alle untersuchten Blechwerkstoffe konnten Parameter gefunden werden, die die Fertigung von Schnittflächen mit hohem Glattschnittanteil ermöglichten. Es konnte gezeigt werden, dass ein Arbeitsbereich existiert, der von einem minimalen und einem maximalen Schneidspalt, sowie einer maximalen Nachschneidzugabe begrenzt wird. Ein Überschreiten der Grenzen führt zu einem deutlichen Anstieg des Bruchflächenanteils der Schnittfläche. Werden diese Werte als auf die Blechdicke bezogene Größen dargestellt, bleibt der Arbeitsbereich bei Veränderung der Blechdicke gleich.
Die Art der Beölung hatte auf die Schnittflächenqualität beim Nachschneiden weicher Stahlwerkstoffe keinen Einfluss. Wegen starker Wärmeentwicklung beim Nachschneiden höher- und hochfester Stähle konnte dort der Einfluss eines Verzichts auf den Schmierstoff nicht betrachtet werden. Bei der Verarbeitung von Aluminium konnten durch den Schmierstoff ALF4 sehr gute Ergebnisse bezüglich der Reduzierung von Aufbauschneiden erzielt werden.
Es konnten drei standzeitbegrenzende Faktoren ermittelt werden:
Die Beschädigung der Stempelmantelfläche durch Oxidationsverschleiß, ausgelöst durch harte Partikel, die aus der Schnittfläche herausgetrennt werden, führte zu einer starken Beeinträchtigung der Oberfläche der Schnittfläche. Dem konnte durch den Einsatz von TiCN-beschichteten HSS-Stempeln begegnet werden, die eine Oberflächenhärte von 3.000 HV 0,05 aufweisen. Es konnten damit auch bei höherfesten Stählen Standmengen von über 1,2 Millionen erzielt werden.
Das Schneidergebnis beim Nachschneiden von Aluminium wird durch die Bildung von Aufbauschneiden beeinflusst. Sowohl der Einsatz des Schmierstoffes ALF4, als auch die Beschichtung der Stempel mit einer DLC-Schicht verlängerten die Standmenge auf über 300.000 bzw. auf 150.000.
Der Schneidkantenverschleiß ist verantwortlich für eine Instabilität des Prozesses, der zu unvollständigem Nachschneiden entlang der Kontur führt. Als Grenzwert konnte eine auf die Blechdicke bezogene 45°-Verschleißlänge zwischen 48 m/mm und 54 m/mm festgestellt werden.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Ziel des Forschungsvorhabens war es, zur Verbesserung des Genauigkeits- und Verschleißverhaltens von Pressmaschinen beizutragen. Dieses Ziel wurde mit dem Ansatz verfolgt, geeignete Methoden zur modellgestützten Analyse des Gesamtsystems Maschine, Werkzeug und Prozess zu entwickeln, mit dem die relevanten Einflüsse auf das dynamische Verhalten der Presse (bzgl. der Werkzeugverlagerungen, welche sich direkt in der Schneidspaltausprägung widerspiegeln) abgebildet werden können.
Im Projekt wurden dazu die Modellierungsgrundlagen ausgehend von der Modellstrukturierung über die Darstellung des Modellansatzes, die Parametrierung und Verifikation bis zur Bewertung der Modellaussagefähigkeit entwickelt.
Als Resultat liegt die Modellbeschreibung einer Mehrstößel-Transferpresse (MSTP) im Sinne einer "virtuellen Presse" (exemplarisch für eine MSTP der Bauart ERFURT mit einer Gesamtnennkraft von 32000 kN) vor. Die Berücksichtigung der folgenden Eigenschaften des Pressensystems
vollständige, dreidimensionale Struktureigenschaften des Pressengestells
nichtlineares Steifigkeits-, Dämpfungs- und Reibverhalten der Stößelführungen
kompletter Antriebsstrang mit Räder- und Hebelgetriebe
nichtlineares Steifigkeitsverhalten der hydraulischen Überlastsicherung
hubabhängiger Stößelgewichtsausgleich
exzentrische Prozesskräfte aus Schnitt- und Ziehoperationen
durch Säulenführungen zusätzlich zentrierte Werkzeugoberteile
Im Gesamtmodell "virtuelle Presse" ermöglicht die modellgestützte Analyse des dynamischen Pressenverhaltens unter dem Einfluss der relevanten Baugruppen und des Produktionsprozesses.
Durch die Beschreibungsmöglichkeiten von elementaren Zusammenhängen des Prozesses bis zum Zusammenwirken gekoppelter Teilsysteme wird eine realitätsnahe Berechnung aller modellierten Prozessparameter im zeitlichen Verlauf einschließlich aller relevanten Rückwirkungen erreicht. Ergebnisgrößen, wie Verlagerungen, Geschwindigkeiten und Belastungen aller modellierten Bauteile stehen dem Anwender zur Analyse bereit.
Die Projektergebnisse stehen dem Anwender unter folgenden Gesichtspunkten zur Verfügung:
Anwendung des entwickelten Simulationsmodells für grundlegende Problemanalysen an MSTP
dynamikgerechte Entwicklung von Großpressen
Die Beschreibung der Parametergewinnung und die Erläuterung des Aufbaus der Teilmodelle gewährleistet die Übertragung der Modellgrundlagen auf weitere Pressen.
Mit der abschließenden beispielhaften Anwendung des Simulationsmodells zur Beantwortung solcher Fragestellungen wie "gegenseitige Beeinflussung der zwei Stößel", "Einfluss der Stößelführung auf das Verlagerungsverhalten" oder "Einfluss der Ziehkissenkraft auf die Stößelkippung" wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methoden zur modellgestützten Analyse unter der Projektüberschrift "Einfluss auf die dynamische Schneidspaltbeeinflussung" demonstriert.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Das Ziel dieses Vorhabens war die Erschließung von Genauigkeitsreserven in der Blechumformung durch die Präzisierung der Prozessbeschreibung im Gesamtmodell des Systems „Maschine-Werkzeug-Prozess“. Damit ergänzt dieses Projekt bisherige Forschungsergebnisse unter der Forderung nach einer ganzheitlichen Betrachtung des Fertigungssystems mit der Modellierung der Komponente „Prozess“. Im Vorhaben wurden Vorgehensweisen zur Prozessbeschreibung der Verfahren der Blechumformung, ausgehend von Ergebnissen der FEM-Prozesssimulation, zur Verwendung in der Anlagensimulation erarbeitet und bewertet. Diese wurden anhand von Referenzwerkstücken erarbeitet.
Als Ergebnisse liegen nach Projektabschluss zum einen Methoden zur Berechnung, Auswertung und Ausgabe der erforderlichen Prozessverläufe in der FE-Prozesssimulation vor. Zum anderen stehen physikalische Prozessmodelle zur Verfügung, welche als detaillierte Prozessbeschreibungen im damit erweiterten Gesamtmodell Maschine-Werkzeug-Prozess zur Optimierung der Maschinenparameter für die Presseneinstellung, zur Bewertung konstruktiver Änderungen an Maschine und Werkzeug sowie zur Bestimmung optimaler Prozessparameter Anwendung finden. Denkbar ist auch die Anwendung des Gesamtmodells bei der Auswahl einer geeigneten Maschine zur optimalen Fertigung eines Blechteiles. Daher werden die Projektergebnisse für Pressen- und Werkzeugentwickler gleichermaßen wie für die Pressenbetreiber interessant und anwendbar.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Ausgehend von einer Analyse des Gesamtsystems "Blechumformprozess" wurden Defizite der herkömmlichen Simulationsmethoden erarbeitet. Vor allem die bisherige Vernachlässigung der Einflüsse statischer Genauigkeitskenngrößen von Pressmaschinen - wie die vertikale und kippende Verlagerung des Pressenstößels - wurde als Defizit erkannt.
Durch die ersetzende Modellierung der Presse mit Federelementen konnten Modellstrukturen entwickelt werden, die die Stößelbettung im FEM-Prozessmodell abbilden können. Die Parametrierung der Federelemente erfolgt dabei über entsprechende Transformationsfunktionen aus vorhandenen Steifigkeitswerten der Pressen.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Modellansatzes wurde anhand eines praxisnahen Benchmarkteils "S-Rail" veranschaulicht. Der Vergleich mit der bisherigen Modellierung zeigt, dass mit der Einbeziehung der statischen Presseneinflüsse in die Modellierung des Umformprozesses maschinenbedingte Ziehfehler sichtbar gemacht und damit prognostiziert werden können. Die Vorhersagegenauigkeit in der Planung des Blechumformprozesses kann somit durch Erweiterung des Prozessmodells mit den statischen Presseneinflüssen gesteigert werden. Damit steht prinzipiell ein Gesamtmodell des Umformprozesses zur Verfügung, um Einflüsse unterschiedlicher Presseneigenschaften während der Prozessplanung zu berücksichtigen und somit auf simulativem Weg den Aufwand bei Werkzeugeinarbeitung und Serienanlauf zu reduzieren.
Die Realisierung eines "virtuellen Try-Out" durch den Einsatz der Prozesssimulation unter der Berücksichtigung der werkzeug- und maschinenseitigen Randbedingungen in der Produktionsvorbereitung ermöglicht erstmalig das Erkennen von Schwachstellen im Zusammenwirken der Kette Maschine-Werkzeug-Werkstück.
Das Anwendungspotenzial liegt auf der einen Seite bei den kmU's des Werkzeugbaus, die durch Anwendung der erarbeiteten Lösungsstrategie Werkzeuge mit weniger oder sogar ohne Einarbeitungsbedarf herstellen können, und auf der anderen Seite bei den Pressenbetreibern, die den Werkzeugeinarbeitungsprozess verkürzen oder teilweise ganz einsparen können
Aktualisiert: 2019-10-09
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