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EFB-Forschungsbericht Nr. 264

Vergleichende Bewertung der Simulation von Umformprozessen mit elastischen Randbedingungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Dipl.-Ing. André Hardtmann, Dr.-Ing. Hajo Wiemer, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik, TU Dresden, Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht, Dr.-Ing. Dietmar Süße, Institut für Festkörpermechanik, Professur für Nichtlineare Festkörpermechanik, TU Dresden

50 Seiten (sw 34, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-296-0

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

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.

Das Forschungsvorhaben "Vergleichende Bewertung der Simulation von Umformprozessen mit elastischen Randbedingungen" wurdeuner der Fördernummer AiF 13829BR 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. 264 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Based on analysis of the entire system "sheet metal forming process" deficiencies of conventional simulation methods were detected. Primarily, disregarding the influences of static accuracy parameters of press machines - such as vertical and tilting displacements of the ram - was identified as deficit.

By the substitutional modelling of presses using spring elements model structures representing the ram bearing in the FEA-Model were developed. The parameters of the springs are calculated by appropriate transformation functions applying already existing stiffness parameters of presses.

The capability of the method developed was exemplified by the practical benchmark- workpiece "S-Rail". Compared to previous modelling, the inclusion of static press influences into the model of metal forming processes enables the visualization and thus the prediction of machine-related drawing failures. During the planning of the sheet metal forming process the accuracy of prediction can be increased by the enhancement of the process model by static press influences. Hence, there is an entire model of the metal forming process available to consider the influences of several press machines during the process planning. Therefore, applying simulation reduces time and effort during tryout and start of production.

Realizing the "Virtual Try-Out" by using process simulation including machine and tool behaviour enables the identification of weak spots in interactions between machine, tool, and workpiece already during the production planning stage.

Great application potential is on SMEs side. Applying this developed method enables tool manufactures to produce tools with less or free of try-out effort and saves try-out time on press operators' side.

Inhalt

1. Ausgangssituation und Zielstellung
1.1. Wissenschaftliche Problemstellung
1.2. Forschungsziel und Lösungsweg
2. Vorbetrachtung und Sensitivitätsanalyse
2.1. Untersuchte Werkstücke
2.2. Simulationsumgebung
2.3. Bewertungskriterien
2.4. Sensitivitätsanalyse
3. Modellierung elastischer Randbedingungen
3.1. Presse
3.1.1. Prozessrelevante quasistatische Presseneigenschaften
3.1.2. Genauigkeitskenngrößen bei statisch belasteter Presse
3.1.3. Modellstrukturen für die Beschreibung der quasistatischen Presseneigenschaften
3.1.4. Parameter des Pressenmodells
3.2. Elastische Randbedingungen aus dem Werkzeug
3.2.1. FEM-Analyse lokaler Deformationen am Versuchswerkzeug „Rechtecknapf“
3.2.2. FEM-Analyse globaler Werkzeugdeformationen
4. Erweitertes FEM-Prozessmodell
4.1. Beispielwerkstück Rechtecknapf
4.1.1. Prinzipmodell des Umformprozesses in MSC.Marc
4.1.2. Modellierung in LS-DYNA
4.2. Numerische Einflussanalyse am Praxisteil „S-Rail“
4.2.1. Modellierung mit starrem Werkzeug und starrer Maschine
4.2.2. Modellierung mit elastischem Werkzeug und starrer Maschine
4.2.3. Modellierung mit starrem Werkzeug und elastischer Maschine
4.2.4. Modellierung des Umformprozesses mit elastischem Werkzeug und elastischer Maschine in PAM-STAMP 2G
4.2.5. Vergleichende Bewertung der Modellierungsansätze
5. Virtuelle Werkzeugeinarbeitung
5.1. Modifikation der Werkzeug-Topologie
5.2. Modifikation der Werkzeug-Lage
6. Wirtschaftliche Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen
7. Beabsichtigte Umsetzung der Forschungsergebnisse
8. Zusammenfassung und Ausblick
9. Literatur