Ziehwerkzeuge Erweiterte Prozess-Simulation unterstützt Inbetriebnahme eines Ziehwerkzeuges

Bei der Fertigung von Blechteilen wachsen die Anforderungen an Bauteilqualität und Prozesssicherheit, was durch neue, höher- und höchstfeste Blechwerkstoffe erschwert wird. Die Notwendigkeit, sowohl die Verfahrensgrenzen zu verschieben als auch die Prozessfenster zu erweitern, führte auch zu neuen Werkzeugtechnologien wie der Vielpunktziehtechnik oder zu aktiv verstellbaren Ziehsicken.

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Institut für Werkzugmaschinen

In einem von der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) geförderten Forschungsprojekt wurde am Institut für Formgebende Fertigungstechnik der TU Dresden ein neuartiges Zieh- und Nachformwerkzeug mit integrierten piezoelektrischen Aktivelementen zur Regelung des Werkstoffflusses entwickelt und das Anwendungspotenzial untersucht.

Neue Segmentierung des Ziehrings

Das Prinzip des neu entwickelten Ziehwerkzeuges als symmetrisches Rechteckwannen-Werkzeug wird in Bild 1 und Bild 2 dargestellt. Das Tiefziehwerkzeug besteht wie üblich aus Ziehring, Stempel und Blechhalte.

Neu ist die Segmentierung des Ziehrings, der aus einem Grundkörper mit eingefrästen Taschen, in welche bewegliche Druckplatten eingelassen sind, besteht. Die Druckplatten werden unter kritischen Blechteilbereichen, hier in den Eckbereichen und an der langen Seite, positioniert. Mit Hilfe von Piezostapelaktoren können die Druckplatten zur lokalen Beeinflussung des Blechhaltedrucks vertikal verstellt werden.

Piezoelektrische Elemente für Werkzeugdruckeinstellung

Der Aufwand bei der Werkzeuginbetriebnahme besteht nun darin, die zeitliche und örtliche Verteilung des Blechhaltedrucks einzustellen. Im herkömmlichen Einarbeitungsprozess der Werkzeuge erfolgt dies iterativ im Probierbetrieb durch Anpassung der Werkzeugkontaktgeometrie.

Im piezoaktorischen Werkzeug werden die Drücke über Aktoren eingestellt. Aufgrund der hochdynamischen und steifen Eigenschaften der Piezoaktoren ist eine Regelung des Tiefziehvorgangs über den gesamten Arbeitsbereich der Presse gut möglich. Damit kann schnell auf Chargenschwankungen der Blechwerkstoffe reagiert werden.

Neues Konzept für Ziehwerkzeuge mit ersten positiven Ergebnissen

Erste Ergebnisse belegen die Funktionsfähigkeit des Werkzeugkonzepts. Den verbesserten Möglichkeiten dieser Werkzeugtechnik zur Prozessbeeinflussung steht eine erhöhte Komplexität im Umformprozess gegenüber. Daher hängen die Beherrschbarkeit und folglich die Akzeptanz des aktiven Werkzeugkonzepts wesentlich davon ab, wie es gelingt, die damit veränderten Prozessrandbedingungen in die simulative Absicherung des Blechumformprozesses einzubeziehen.

Deshalb wurde das EFB-Vorhaben durch das Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik (IWM) der TU Dresden unterstützt. Ein Forschungsschwerpunkt am IWM ist auf die Weiterentwicklung der Simulationsmethoden zum Umformprozess ausgerichtet, um die prozessrelevanten Einflüsse aus Maschine und Werkzeug in den FEM-Modellen der Methodenplanung berücksichtigen zu können [1].

Umformprozess durch Werkzeugverlagerungen und -deformationen beeinflusst

Wesentliche Einflüsse auf den Prozess resultieren aus den elastischen Werkzeugverlagerungen und -deformationen, die heutzutage in der Prozesssimulation der Methodenplanung oft unberücksichtigt bleiben. Die am IWM entwickelten, erweiterten Umformprozessmodelle berücksichtigen die folgenden elastischen Einflüsse aus Werkzeug und Pressmaschine:

• Deformationen der Werkzeugelemente,
• Verlagerungen des Pressenstößels unter Einbeziehung von Antriebsart und -spiel, von Gestelldeformationen und Führungsverhalten,
• Verlagerungen des Blechhalters aufgrund des Verhaltens der Zieheinrichtung.

Für die Modellerweiterungen ist wichtig, dass diese in den für die Prozesssimulation üblichen FEM-Modellen vorgenommen wurden. Damit steht dem planenden Anwender weiterhin seine gewohnte Softwareumgebung zur Verfügung.

Im Folgenden werden die Anwendungspotenziale des erweiterten Umformprozessmodells am Beispiel des Tiefziehens mit piezoaktorischen Werkzeugen veranschaulicht. Ausgangspunkt für die Prozesssimulation war zunächst die übliche Modellierung des Umformprozesses ohne Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften des Werkzeugs und der Maschine (Bild 3). Dieses Grundmodell bildet jedoch die Segmentierung des Ziehrings und die eingelassenen Druckplatten ab. Teilmodelle der Piezoaktoren stellen das charakteristische Piezoverhalten vereinfacht als vorgespannte Feder dar.

Zur Vorbereitung der Versuche, welche die Machbarkeit des neuen Werkzeugkonzepts zeigen sollten, wurde der Tiefziehprozess simuliert. Per Simulation konnten geeignete Startwerte für die Aktoreinstellungen berechnet werden, welche in den Erstversuchen erfolgreich genutzt wurden. Die Inbetriebnahme des Werkzeugs konnte so wesentlich verkürzt werden.

Simulationsmodell gewährleistet eine elastische Werkzeugbeschreibung

Zum Ergebnisvergleich zwischen Simulation und Experiment wurde als charakteristische Größe auch die Flanschbreite bewertet. Der Vergleich zeigte zwar tendenziell gute Übereinstimmung, im Flanschbereich jedoch erhebliche Abweichungen (Bild 4). Die genauere Analyse der Simulationsergebnisse hinsichtlich der durch die Aktoren beeinflussten Druckverteilung auf der Blechoberfläche ließ den Schluss zu, dass das zugrunde gelegte Modell aufgrund der starren Werkzeugbeschreibung unzulässig stark vereinfacht war. Denn aus der eingestellten Druckverteilung und den damit verbundenen Blechaufdickungen resultierten lokal unterschiedliche Werkzeugdeformationen, die den Werkstofffluss beeinflussen, im Modell aber nicht abgebildet wurden.

Darauf begründet wurde der Tiefziehprozess fortan mit erweiterten Modellen mit elastischer Werkzeugbeschreibung simuliert (Bild 3b). Aufgrund der Steifigkeitsverhältnisse am Versuchswerkzeug war hier die elastische Beschreibung des Blechhalters hinreichend. Weiterhin unberücksichtigt blieben die Nachgiebigkeiten von Maschine und Matrize. Die Berechnungsergebnisse dieser Modelle zeigten eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den Flanschkonturen der Versuche (Bild 4).

Relevante Abweichungen zwischen Simulation und Experiment waren nur noch zu verzeichnen, wenn die eingestellte Druckverteilung zu starken exzentrischen Lasteinleitungen in die Presse führte. Infolgedessen kam es aufgrund der Maschinennachgiebigkeit zur Verkippung zwischen Pressenstößel und Niederhalter. Diese beeinflusste jedoch rückwirkend die Verteilung des Blechhaltedrucks am Werkstück und somit den Blecheinzug.

Die Wechselwirkungen konnten nur mit einem erweiterten Umformprozessmodell, welches das elastische Maschinenverhalten mit einbezieht, abgebildet werden. Im Bild 3 ist das verwendete FEM-Modell mit Pressenumgebung dargestellt. Die Ergebnisse im Bild 4 zeigen, dass mit dieser Modellerweiterung die größte Realitätsnähe erreicht werden konnte.

Zusammenzufassen bleibt: Die Inbetriebnahme von Umformwerkzeugen kann mit Hilfe der Prozesssimulation effizient verkürzt werden. Komplexere Umformprozesse erfordern komplexere Modelle, welche die prozessrelevanten Einflüsse aus Maschine und Werkzeug berücksichtigen. Entsprechende Modellerweiterungen sind in der FEM-Umgebung prinzipiell möglich. Die weiteren Arbeiten am IWM befassen sich auch mit der Reduzierung großer Werkzeugmodelle und der Einbeziehung des Antriebsverhaltens der Zieheinrichtung. MM

Literatur:

[1] Großmann, K.; Wiemer, H.; Hardtmann, A.; Penter, L.: Stand der Simulation von Umformprozessen mit den elastischen Einflüssen aus Maschine und Werkzeug. Tagungsband zum EFB-Kolloquium „Neue Wege zum wirtschaftlichen Leichtbau“, Fellbach 2007

Dipl.-Ing. Lars Penter und Dr.-Ing. Hajo Wiemer sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der TU Dresden in 01069 Dresden, Helmholtzstraße 7a, Tel. (03 51) 4 63-3 43 58, wiemer@iwm.mw.tu-dresden.de; Dipl.-Ing. Marko Schatz arbeitet am Institut für Formgebende Fertigungstechnik der TU Dresden, Tel. (03 51) 4 63-3 21 97, schatz@mciron.mw.tu-dresden.de

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