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EFB-Forschungsbericht Nr. 282

Simulationsbasierte Auslegung von Umformwerkzeugen am Beispiel gegossener Wasserkästen für Hydromec-Umformung

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dipl.-Ing. Leopold Meier, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

82 Seiten (sw, 62 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-316-5

Preis (Digital) EUR 48,00

Preis (Print) EUR 54,00

Zusammenfassung

Werkzeuge zur Umformung großer Blechteile sind im Einsatz hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere die Druckbehälter wirkmedienbasierter Umformverfahren, wie die Wasserkästen beim hydromechanischen Tiefziehen, erfahren durch Kalibrierdrücke von mehreren hundert bar sehr hohe Wechselbelastungen.

FEM-Simulationen als Hilfsmittel zur Auslegung dieser Umformwerkzeuge werden überwiegend nur zur Berechnung der statischen Festigkeit und zur gießgerechten Gestaltung der Bauteile verwendet. Eine belastungsgerechte und wirtschaftliche Auslegung der Werkzeuge ist aber erst dann möglich, wenn eine Betriebsfestigkeitsanalyse durchgeführt wurde, die auch die dynamischen Wechselbelastungen einbezieht und als Randbedingung die fertigungsspezifischen Eigenspannungen verwendet.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer geschlossenen CAE-Kette, die eine durchgängige Vererbung von Simulationsergebnissen zwischen verschiedenen Simulationssystemen vom Urformen bis zur Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglicht. Die Entwicklung und Überprüfung der CAE-Kette wurde anhand abstrahierter Probegeometrien durchgeführt. Die Werkzeugkonstruktion erfolgte sowohl konventionell als auch auf Grundlage von Topologieoptimierungs-Simulationen. Mit Gießsimulationen wurden die thermisch induzierten Eigenspannungen berechnet, die als Anfangsbedingung für die anschließende Simulation der spanenden Bearbeitung und der statischen Festigkeit dienten. Mit dem Betriebsfestigkeitssimulationsprogramm FEMFAT wurde auf Grundlage der Eigen- und Lastspannungen eine Berechnung der Lebensdauer durchgeführt.

Zur Entlastung hoch beanspruchter Bauteil-Bereiche wurden mit Formoptimierungssimulationen Detailänderungen der Werkzeuggeometrie berechnet, die als Grundlage zur Konstruktion eines optimierten Bauteils dienen. Dazu wurde die Schnittstelle StressTranslator entwickelt, mit der Eigenspannungen als Spannungsrestriktion in die Formoptimierung einfließen können. Zur Validierung der Simulationssysteme wurden die Probegeometrien abgegossen und umfassend messtechnisch ausgewertet.

Den Abschluss des Projektes bildete die Übertragung der entwickelten CAE-Kette auf ein Realwerkzeug, einen aktuellen Umformwerkzeug-Unterkastens der BMW AG. Dieses Bauteil wurde als konventionelle und als optimierte Konstruktion mit dünneren Rippenquerschnitten untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Einbeziehung der Eigenspannungen nur zu relativ geringen Steigerungen der Gesamtspannungen führen, da sie räumlich anders verteilt sind als die Lastspannungen des verwendeten Lastfalles.

Das Forschungsvorhaben „Simulationsbasierte Auslegung von Umformwerkzeugen am Beispiel gegossener Wasserkästen für Hydromec-Umformung“ wurde unter der Fördernummer AiF 14395N 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. 282 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Kurzzusammenfassung
1 Einleitung
2 Stand der Kenntnisse
2.1 Blechumformung durch Tiefziehen
2.1.1 Tiefziehen im Automobilbau
2.1.2 Hydromec-Verfahren
2.2 Werkzeugkonstruktion
2.2.1 Entstehungsprozess von Umformwerkzeugen
2.2.2 Simulationsunterstützung im Konstruktionsprozess
2.3 Herstellung von Umformwerkzeugen
2.3.1 Gießen
2.3.2 Spanende Bearbeitung
2.4 Gusswerkstoffe für Umformwerkzeuge
2.5 Eigenspannungen
2.6 Simulationsverfahren
2.6.1 Gießsimulation
2.6.2 Spannungssimulation
2.6.3 Simulation der Betriebsfestigkeit
2.6.4 Strukturoptimierung
2.6.5 Koppelung von Simulationen
3 Zielsetzung
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Gussformerstellung
4.2 Temperaturmessung
4.3 Optisches 3D-Vermessungssystem
4.4 Eigenspannungsmessung
5 Verwendete Simulationssoftware
5.1 Gießsimulation MAGMASOFT
5.2 FE-Solver ABAQUS
5.3 Strukturoptimierer Altair OptiStruct
5.4 Betriebsfestigkeitssimulation FEMFAT
6 Vorgehensweise zum Erreichen des Forschungszieles
6.1 Versuchsgeometrien
6.2 Ablaufschema Simulationsexperimente
6.3 Realversuche und Validierung
7 Ergebnisse
7.1 Entwicklung einer Simulationskette anhand einer Testgeometrie
7.1.1 Auslegung der Testgeometrie
7.1.2 Gießsimulation und Abguss der Testgeometrie
7.1.2.1 Formfüllung
7.1.2.2 Abkühlung und Erstarrung
7.1.2.3 Validierung der Gießsimulation
7.1.3 Simulation der Eigenspannungen im Gusszustand und nach spanender Bearbeitung
7.1.4 Verzugssimulation im Gusszustand und nach spanender Bearbeitung
7.1.5 Simulation der statischen Festigkeit
7.1.6 Simulation der Fräsbearbeitung
7.1.7 Betriebsfestigkeitssimulation mit FEMFAT
7.1.8 Topologieoptimierung als Konstruktionsalternative
7.1.9 Formoptimierung der konventionellen Testgeometrie
7.1.10 Vergleich der Strukturoptimierungsvarianten
7.2 Überprüfung der CAE-Kette anhand von komplexen Probegeometrien
7.2.1.1 Konventionelle Konstruktion der Probegeometrie
7.2.1.2 Topologieoptimierte Konstruktion der Probegeometrie
7.2.1.3 Erstellung einer Gießform und Abguss der Probegeometrie
7.2.1.4 Simulation und Validierung des Gießprozesses
7.2.1.5 Simulation und Messung von Eigenspannungen
7.2.1.6 Simulation und Messung von Verzug
7.2.1.7 Festigkeitssimulation
7.2.1.8 Betriebsfestigkeitssimulation
7.2.1.9 Formoptimierung
7.2.2 Vergleich der Strukturoptimierungsergebnisse
7.3 Übertragung der entwickelten Simulationskette auf eine reales Bauteil
7.3.1 Werkzeuggeometrien
7.3.2 Gießsimulation
7.3.3 Modellierung und Lastfall
7.3.4 Festigkeitssimulation
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literaturverzeichnis