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EFB-Forschungsbericht Nr. 245

Modellgestützte Analyse von Pressmaschinen auf Grundlage experimentell verifizierter Parameter

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Dr.-Ing. Hajo Wiemer- Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik (IWM), Technische Universität Dresden, Dresden, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Hofmann - Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU), Technische Universität Darmstadt

164 Seiten (sw 110 Abb., 25 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-205-2

Preis (Digital) EUR 47,00

Preis (Print) EUR 52,40

Zusammenfassung

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.

Das Forschungsvorhaben " Modellgestützte Analyse von Pressmaschinen auf Grundlage experimentell verifizierter Parameter" wurde unter der Fördernummer AiF 13683BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 245 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The static and dynamic behavior of forming presses plays an important role in regard to
process stability, die life and product quality. Due to higher and higher quality demands,
recent investigations aimed to measure, calculate and subsequently improve the static
properties of forming machines. However, regarding the fact that dynamic processes are at
least as important for the precision beahavior of forming machines as the static properties are,
these investigatons can only solve part of the problem.
The development mentioned above came along with the fast-paced enhancements in
numerical calculation methods and computational engineering. After integrating finiteelement
based engineering tools into the design and dimensioning of process of press frames
under static load, recent endeavors attempt to modell also the dynamic behavior. In addition
to the simulation of new presses the modelling of existing machines play a major role
regarding the optimization of production processes.


Several problems complicate the realization of the procedure mentioned above. In addition
to the difficulty of defining an adequate level of abstraction for he given problem the
numerical reduction of highly complex finite element systems is of significant importance.
Exccept of that, the parametrization of simulation models has to be as close to reality as
possible wich means that there still is a great demand for experimental test data an for
dependable testing methods.


The objective of the research activities described in this report is to present approaches to
the numerical simulation of forming machines as well as to develop procedures for the
experimental investigation of system properties in order to parametrize dynamic simulations.

As for the computational simulation, all relevant parts of a forming press are described and
several posibilities for the numerical description are proposed. An estimation of the capability
of the models on the one hand and of the working effort on the other hand is carried out. In
excess of developing a simulation guideline, essential measuring methods were adapted in
this project to the requirements in the field of forming machines and their implementation is
described.
The objective of the project was achieved

Inhalt

I Inhaltsverzeichnis
II Abbildungsverzeichnis
III Tabellenverzeichnis
IV Abkürzungen
IV.1 Formelzeichen
IV.2 Griechische Formelzeichen
IV.3 Abkürzungen
0 Einleitung
1 Wissenschaftlich-Technische und wirtschaftliche Problemstellung
2 Forschungsziel und Lösungsweg
3 Vorbetrachtungen
3.1 Mechanische Pressmaschinen
3.1.1 Einordnung und Prinzipieller Aufbau
3.1.2 Zu modellierende Baugruppen
3.1.3 Kenngrößen und Bezugssystem
3.2 Modellgestützte Analyse von Pressmaschinen
3.2.1 Anforderungen an die Modelle
3.2.2 Stand der Simulation von Pressmaschinen
3.2.3 Simulationsmethoden und Eingesetzte Software
3.2.4 Modellumfang und Darstellungsform
3.3 Experimentelle Analyse von Pressmaschinen
3.3.1 Anforderungen an experimentelle Analysemethoden
3.3.2 Stand der experimentellen Analyse an Pressmaschinen
3.3.3 Darstellung der experimentellen Analysemethoden
3.4 Dynamische Eigenschaften linearelastischer Teilsysteme
4 Methodenkatalog zur Modellbildung für die Analyse des dynamischen Maschinenverhaltens
4.1 Pressenmodelle
4.1.1 Für konzeptionelle Untersuchungen
4.1.2 Für die Gestaltung
4.2 Baugruppenmodelle
4.2.1 Stößel
4.2.2 Gestell
4.2.3 Aufstellung
4.2.4 Stößelführungssystem
4.2.5 Hebelgetriebe
4.2.6 Rädergetriebe
4.2.7 Hydraulische Überlastsicherung
4.2.8 Stößelgewichtsausgleich
4.2.9 Werkzeug Und Prozess
4.2.10 Vorgehensweise Zum Modalen Ersatzsystem
5 Methodenkatalog zur Experimentellen Analyse von dynamischen Presseneigenschaften
5.1 Experimentelle Analyseverfahren für Pressmaschinen
5.2 Möglichkeiten zur experimentellen Erfassung der maschineneigenwerte mittels Modalanalysen
5.2.1 Anwendungsprinzipien bei der klassischen experimentellen Modalanalyse
5.2.2 Identifikation der modalen Parameter bei der klassischen Modalanalyse
5.2.3 Operationale Modalanalyse
5.3 Anwendung der Ergebnisse der experimentellen Modalanalysen
5.3.1 Überblick
5.3.2 Linearelastisches Gestellverhalten (Modalanalyse am Unbebauten Gestell)
5.3.3 Strukturdämpfung der Schweißkonstruktion aus Dickblech
5.3.4 Dämpfungsmessung der Stößelführung (Spielfreie Stößelführung)
5.3.5 Eigenschaften der Aufstellung
5.4 Modellgestützte Analyse auf Basis von Betriebsschwingungsmessungen
5.4.1 Dämpfungsmessung der Stößelführung (Gleitführungen): Ausschwingungsmessung der Horizontalen Stößelverlagerung
5.4.2 Schneidkraft
5.4.3 Stößelhub bzw. Kupplungs- Und Bremsvorgänge
6 Anwendung der Referenzmodelle
6.1 Optimierung des Dynamischen Verhaltens eines Pressengestells
6.2 Auslegung des Stößelgewichtsausgleichs
6.3 Statischer Modellabgleich
6.4 Dynamischer Modellabgleich am Stößel
6.5 Dynamischer Modellabgleich des Gesamtsystems
7 Literaturverzeichnis
V Anhang
V.1 Ausgewählte Allgemeine Parameter
V.2 Verwendete Simulationsobjekte
V.3 Ausgewählte Parameter Der Beispielpressen