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Robert Tehel
Steffen Ihlenfeldt (Hrsg.)
Modellierung des elastischen Verhaltens von Umformmaschinen als Beitrag zur Verbesserung des digitalen Werkzeugentstehungsprozesses
DIN A5, 163 Seiten, Paperback
ISBN: 9783957351876
Verlag Wissenschaftliche Scripten
In der Produktionstechnik verstärken sich parallel zum Trend der Individualisierung von Produkten seit Längerem die Bedürfnisse nach der Sicherstellung einer gleichbleibenden Produktqualität, von schnelleren Produktanläufen und einer Kostenreduktion im globalenWettbewerb. Bezogen auf die Umformtechnik als Verfahren der (Groß-)Serienfertigung beeinflussen das Umformwerkzeug sowie dessen Entstehungsprozess maßgeblich diese Herausforderungen. Besonders im Bereich der Blechumformung kommt dem weitgehend erfahrungsbasierten und manuellen Tryout-Prozess von Umformwerkzeugen eine hohe Relevanz aufgrund seines Einflusses auf das Produkt sowie als Faktor bezüglich des monetären und zeitlichen Aufwandes zu. Einer der dominierenden Einflussfaktoren hierbei ist das Verhalten der beteiligten Umformmaschine, wodurch sich erhebliche Einsparpotentiale durch dessen Kenntnis sowie die Einbeziehung in den dem Tryout vorgelagerten Konstruktionsprozess des Umformwerkzeuges ergeben. Für die Modellierung von Umformmaschinen existieren zum derzeitigen Zeitpunkt verschiedene Ansätze, die in Formulierung, Umfang und Zielsetzung individuell auf den jeweiligen Einsatzfall hin zugeschnitten sind. Ein breiter Einsatz ist dabei bisher nicht möglich.
Die vorliegende Abhandlung stellt deshalb die Erstellung weitgehend allgemein einsetzbarer Modelle des mechanischen Verhaltens von Umformmaschinen in den Vordergrund. Diese ermöglichen eine Verkürzung desWerkzeugentstehungsprozesses insbesondere durch eine frühzeitige Digitalisierung. Wünschenswerter Nebeneffekt ist ist die Qualifizierung der realen Umformmaschine durch einen digitalen Zwilling hin zu einem cyber-physischen Produktionssystem. Der Fokus liegt hierbei auf der Abbildung des elastischen Deformationsverhaltens der Umformmaschine, welches maßgeblich durch die Komponenten Pressenstößel und Pressentisch im Bereich der Spannflächen hin zum Umformwerkzeug bestimmt wird. Hierfür werden Ansätze für die Bildung von Modellen entwickelt, welche sowohl in Finite-Elemente-Simulationen als auch unabhängig von FE-Umgebungen verwendet werden können. Die Modelle basieren auf dem im Vorfeld zu vermessenden elastischen Verhalten der Spannflächen, für das Belastungsfälle definiert und Krafteinleitung sowie die messtechnische Erfassung der Verlagerungen umzusetzen sind. Anspruch der Modelle ist die korrekte Wiedergabe des Deformationsverhalten für beliebige aus dem jeweiligen
Umformwerkzeug resultierende Belastungsverteilungen. Weiterhin gilt es zu ermitteln, welche Möglichkeiten durch die Kenntnis des elastischen Verhaltens und dessen Zugänglichkeit in FE-Simulationen entstehen. Hierfür wurde eine Validierung auf Basis eines Demonstratorwerkzeuges durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Gegenwärtige Situation und Motivation
1.2 Zielstellung und wissenschaftliche Fragestellungen
2 Stand der Technik
2.1 Werkzeugentstehungsprozess
2.1.1 Gliederung und Einordnung von Entstehungsphasen
2.1.2 Relevanz der Einarbeit
2.2 Eigenschaften und Eigenschaftsermittlung an Umformmaschinen
2.2.1 Kennwerte zur Analyse der geometrischen Genauigkeit
2.2.2 Kennwerte zur Analyse des elastischen Verhaltens
2.2.3 Aufnahme des realen elastischen Verhaltens
2.3 Simulation des Umformprozesses
2.3.1 Relevanz für den Werkzeugentstehungsprozess
2.3.2 Simulationsumgebungen für Umformsimulationen
2.3.3 Einfluss und Abbildung der Elastizität des Werkzeuges
2.3.4 Einfluss und Abbildung der Elastizität der Maschine
2.4 Zusammenfassung des derzeitigen Standes
3 Ausgangssituation, Vorgehensweise, Zielsetzung
4 Messtechnische Erfassung des elastischen Verhaltens einer Umformmaschine
4.1 Angewandtes Vorgehen zur Erfassung des Maschinenverhaltens
4.1.1 Exemplarisch untersuchte Demonstratormaschinen
4.1.2 Messgrößen und eingesetzte Messtechnik
4.1.3 Messtechnische Aufnahme von Identifikationslastfällen
4.2 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
4.2.1 Erforderliche Genauigkeit für Ersatzmodelle
4.2.2 Ursachen von Ungenauigkeiten bzw. Abweichungen
4.2.3 Reproduzierbarkeit der Messungen
4.3 Aufbereitung der Messdaten
4.3.1 Trennung linearer und nichtlinearer Anteil
4.3.2 Vor- und Nachteile der Integration nichtlinearer Bestandteile
4.3.3 Trennung von Durchbiegung und Starrkörperbewegungen
4.4 Auswahl relevanter Belastungsszenarien
4.4.1 Allgemein Identifikationslastfall
4.4.2 Zusammenhang zwischen Einzelkräften und Flächenlasten
4.4.3 Abhängigkeit der Lasteinleitung von der Pressenbauart
4.4.4 Wechselbeziehung Werkzeug – Schiebetisch
4.5 Zulässigkeit der Überführung von Flächenlasten zu Punktlasten
4.5.1 Analogie zum eindimensionalen Bernoulli-Balken
4.5.2 Eindimensionale Näherung des Pressentisches mit Timoshenko-Balken
4.5.3 Übergang zur zweidimensionalen Platte
5 Modellierung des elasto-mechanischen Verhaltens
5.1 Anforderungen und Gültigkeitsbereiche der Modelle
5.1.1 Allgemeine Ansprüche
5.1.2 Begrenztheit der Modellierungen
5.1.3 Besonderheiten am Pressentisch
5.1.4 Besonderheiten am Pressenstößel
5.1.5 Besonderheiten bei Stößel-/ und Tischziehkissen
5.2 Konstruktionsbasierte Modellerstellung
5.3 Ansätze zur messdatenbasierten Modellerstellung
5.3.1 Volumenmodell – Topologieoptimierung
5.3.2 Volumenmodell – Vorkonditionierte Topologieoptimierung
5.3.3 Schalenmodell – FE-basierte Parameteroptimierung
5.3.4 Schalenmodell – elastisch gelagerte Einzelplatte
5.3.5 Numerisches Modell – Analytische Reduktion
5.3.6 Integration der nichtlinearen Verformungsanteile in FE-Modelle
5.4 Analytische Bestimmung der Durchbiegung einer Rechteckplatte
5.4.1 Gültigkeitsbereich Plattentheorien
5.4.2 Allseitig gelagerte Rechteckplatte mit partieller Flächenlast
5.4.3 Verifikation und Vergleich mit FEM
5.4.4 Abschätzung auftretender Gradienten
5.5 Zielkriterien
5.5.1 Räumlicher Betrachtungsraum
5.5.2 Numerische Bewertung einer Näherung
5.5.3 Bewertung der Allgemeingültigkeit
5.6 Begrenztheit einfacher plattenbasierter Ansätze
5.6.1 Modellierung eines Pressentischs durch homogene 2D-Platte
5.6.2 Modellierung durch segmentierte 2D-Platte
5.6.3 Modellbildung durch Reduktion eines CAD-basierten FE-Modells
6 Elastisch diskret unterstützte homogene Platte
6.1 Modellerstellung durch Superposition von Korrektursteifigkeiten
6.1.1 Generelles Vorgehen
6.1.2 Rekombination der Lasteinleitung aus Normlastfällen
6.1.3 Algorithmus zur Erweiterung des Modells
6.1.4 Optionen innerhalb der Optimierung
6.1.5 Selektion der Korrekturkräfte aus Normlastfällen
6.1.6 Erweiterung des Modells durch Korrektursteifigkeiten
6.1.7 Definition der Normlastfälle
6.2 Näherung des Pressentisches der Demonstratormaschine
6.2.1 Allgemeines Vorgehen auf Basis von NLF-Korrelation
6.2.2 Näherung eines einzelnen ILF und Rückführung in FEM
6.2.3 Gemeinsame Näherung mehrerer ILF
6.2.4 Genauigkeitssteigerung durch zweistufige Optimierung aller ILF
6.2.5 Multikriterielle Optimierung
6.3 Optimierung mittels Einflusszahlenmatrix
6.3.1 EZM zur Systembeschreibung
6.3.2 Integration mehrerer Identifikationslastfälle
6.3.3 Rückrechnung auf Verlagerungsreaktion des Modells
6.3.4 Erweiterung um Starrkörperbewegungen
6.3.5 Homogenisierung des Verhaltens der Kontaktfläche
6.3.6 Übertragbarkeit auf alternative Grundstrukturen
6.4 Vereinheitlichtes Modell auf Basis einer Doppelplatte
6.4.1 Erfordernisse für die Modellierung des Stößelverhaltens
6.4.2 Struktur und Vorteile des Doppelplattenmodells
6.4.3 Ermittlung der Modellparameter
7 Validierung des Vorgehens und potentielle Anwendung der Modelle
7.1 Eignung der resultierenden Modelle
7.1.1 Näherung von Tisch und Stößel der EHP1600
7.1.2 Allgemeingültigkeit – zusätzlicher Kontrolllastfall
7.1.3 Verallgemeinerbarkeit – Modellbildung für zweite Maschine
7.2 Anwendung – Einsatz innerhalb der Werkzeugentstehung
7.2.1 Auswirkung auf das Druckbild im Kalibrierprozess
7.2.2 Werkzeugbombierung zur Kompensation der Maschinenelastizität
7.2.3 Vereinfachte Abschätzung der Bombierung
7.3 Befähigung intelligenter Komponenten für Prozessüberwachung
7.3.1 Spannflächenverlagerung im Prozess durch Intelligenten Nutenstein
7.3.2 Prozessinformationen durch intelligente Werkzeugspannsysteme
8 Zusammenfassung und Ausblick
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