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Die Herstellung von Kaltwalzprofilen wird in der Entwicklung und Optimierung mit Hilfe von Software erleichtert. Walzprofilierte Bauteile haben aufgrund ihrer Anwendungsvielfalt in den vergangenen...

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GGB Heilbronn GmbH

WITTENSTEIN SE

Die Herstellung von Kaltwalzprofilen wird in der Entwicklung und Optimierung mit Hilfe von Software erleichtertWalzprofilierte Bauteile haben aufgrund ihrer Anwendungsvielfalt in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen und unter anderem Einzug in neue Bereiche wie die Automobilindustrie gehalten. Grund dafür sind die Einführung neuartiger Werkstoffe und die verbesserten Möglichkeiten zur Auslegung der jeweiligen Umformwerkzeuge. Das Kaltwalzprofilieren gilt als hochproduktives Verfahren zum Herstellen von Stahlprofilen durch kontinuierliche Umformung von Blechband mit Hilfe angetriebener Walzen. Der Vorteil dieses Fertigungsverfahrens liegt insbesondere in der nahezu unbegrenzten Formvielfalt möglicher Profilquerschnitte oder der durch den Umformvorgang bedingten Kaltverfestigung des Materials, von der sich bei geschickter Auslegung in vielen Fällen Gebrauch machen lässt.Die Qualität des Profiles entscheidend verbessertDiesem Nutzen stehen allerdings auch eine Reihe von Einschränkungen gegenüber, wie zum Beispiel eine in vielen Fällen zeitaufwändige Konstruktion und Herstellung der Rollenwerkzeuge, hoher Zeitaufwand für die Montage, Inbetriebnahme und Erprobung der Werkzeugsätze oder unerwünschte innere Spannungen oder Deformationen im Endprodukt. Die Aufzählung dieser Punkte führt bereits das Potenzial des Einsatzes leistungsfähiger Analyse- und Optimierungssoftware vor Augen. Um die volle Effizienz des Kaltwalzprofilierens zu nutzen, gilt es, schon in der Profil- und Werkzeugkonstruktionsphase Methoden und Verfahren anzuwenden, welche die Qualität des gewalzten Profils entscheidend verbessern helfen.Die oberbayerische DataM Software bietet seit geraumer Zeit eine virtuelle Prozesskette für Auslegung und Validierung von Rollensätzen in der Walzprofilfertigung an. Das Softwareprogramm Copra RF (Roll- Formen) unterstützt dabei alle Arbeitsschritte in der Entwicklung offener oder geschlossener Profilquerschnitte. Das beginnt bei der Konstruktion der herzustellenden Endprofilquerschnitte über die Definition der einzelnen Umformstufen (Stiche oder Profilblume) bis hin zur Erstellung der technischen Dokumente (Fertigungszeichnungen, Stücklisten, CNC-Programme) und der späteren Qualitätskontrolle von Profilquerschnitten und Rollenwerkzeugen. Letzteres erfolgt in Zusammenspiel mit für diesen Anwendungsfall entwickelten optischen Messgeräten (Copra-Rollenscanner, Copra-LaserCheck).Ein mehrstufiges Konzept beschleunigt dabei sowohl den Konstruktions- als auch den Analyseprozess und berücksichtigt sowohl die Bedürfnisse des Konstrukteurs (schnelle Auslegung eines Werkzeugsatzes) als auch die des Produktionsleiters, der an einer frühzeitigen Überprüfung des späteren Walzprofiliervorganges interessiert ist.Von der Idee des Endkunden ausgehend, wird mit Hilfe eines „Entwurfs“-Programmes eine Profilblume erstellt. Die daraus resultierenden CAD-Daten gehen dabei in ein Analyseprogramm zur Auslegung der Umformstationen ein (Copra FTM (Formänderungs-Technologie-Modul)). Das Softwareprogramm berechnet innerhalb weniger Sekunden die bei der Profilierung auftretenden theoretischen (elastischen und plastischen) Materialdehnungen in Abhängigkeit von den bestimmenden Einflussgrößen wie Profilquerschnittsgeometrie, Materialstärke, Rollenanordnung beziehungsweise Rollendurchmesser und gibt Hinweise, wo das Bandmaterial möglicherweise überbeansprucht werden könnte. Mit diesem schnellen Simulationsprogramms lassen sich rasch eine ganze Reihe unterschiedlicher Umformvarianten durchspielen und gegebenenfalls die entworfene Umformblume oder die Anzahl der verwendeten Umformgerüste und Werkzeugabmessungen korrigieren, bevor mit der eigentlichen Detaillierungsarbeit oder gar Fertigung der Rollenwerkzeuge begonnen wird. Das erspart eine Menge Zeit und verringert das Risiko, dass die entsprechenden Rollenwerkzeuge später bei der Inbetriebnahme nachgearbeitet neu angefertigt werden müssen.Fertigungsunterlagen aus den gesammelten DatenHauptursache für schlechte Profilqualitäten ist in vielen Fällen eine bleibende lokale Verformung des Blechbandes (innere Spannungen), die durch die beim Walzprofilieren auftretenden Längsdehnungen hervorgerufen wird. Copra FTM liefert außer den theoretischen Werten für diese auftretenden Längsdehnungen an der Blechober- beziehungsweise Unterseite auch Aussagen, wie diese Werte über den Querschnitt verteilt sind. Das ist deshalb so wichtig, weil in der Praxis in vielen Fällen immer noch vom Begriff der „Bandkantendehnung“ gesprochen wird, obwohl ein Großteil der hergestellten Profilquerschnitte während des Walzprofiliervorgangs tatsächlich über den gesamten Querschnitt beansprucht wird. Man kann diesen Effekt sehr gut bei vorgestanztem Material erkennen. Die vor Beginn der Profilierstraße gestanzten Löcher werden durch die in den Rollengerüsten hervorgerufenen plastischen Dehnungen deformiert.Sobald die Auslegung der Umformblume und die Detaillierung des Rollensatzes fertig ist, können sämtliche Fertigungsunterlagen, also Sägelisten, Fertigungszeichnungen und CNC-Daten für die Rollenherstellung erzeugt und die Rollenwerkzeuge hergestellt werden. Danach wird das Werkzeug auf der Profilieranlage montiert. Bis ein neues Profil die Anlage in der gewünschten Qualität verlässt, sind ohne die zuvor beschriebene Optimierung der Umformblume in der Regel umfangreiche Einstellarbeiten an der Anlage, oftmals sogar konstruktive Veränderungen an den Werkzeugen erforderlich.Der bis vor kurzem einzig mögliche Weg zu einem funktionierenden Rollensatz war ausschließlich die praktische Erprobung an der Maschine. Heute gibt es eine alternative Möglichkeit, diesen zeitraubenden und teuren Weg des sogenannten „Einfahrens“ eines neuen Walzprofilier-Werkzeugsatzes zu beschleunigen und gegebenenfalls ein Nacharbeiten der Werkzeuge gänzlich zu vermeiden - die Simulation mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM).FEM-Simulation des WalzprofiliervorgangesSobald ein Rollensatz fertig konstruiert ist, werden die Daten vom FEM-Simulationsprogramm übernommen. Copra FEA RF (Finite-Elemente-Analyse für Roll-Formen) simuliert den Walzprofiliervorgang mit Hilfe nicht-linearer elasto-plastischer Berechnungsmethode. Um Fragen wie der Definition des Finite-Elemente-Berechnungsmodells, die Diskretisierung, Auswahl geeigneter Elementtypen oder Antragen der Randbedingungen braucht sich der Anwender nicht zu kümmern. Diese Punkte werden bei dem in die Copra-Prozesskette vollständig integrierten Softwareprogramm automatisch berücksichtigt.Eine Reihe leistungsfähiger Analysefunktionen geben dem Anwender verlässliche Aussagen über die zu erwartende spätere Profilqualität oder Materialeigenschaften. Sowohl das fertige Profil als auch die einzelnen Umformstufen werden plastisch in dreidimensionalen farbigen Bildern dargestellt.Durch das Sichtbarmachen von Defekten kann auf die bislang bekannten und notwendigen empirischen Versuche und Justagen an der Profilieranlage verzichtet werden und ein neuer Werkzeugsatz bereits schon in der Konstruktionsphase optimiert werden. Das spart Zeit und senkt damit auch die Kosten.Mit einer zweistufigen Lösung zum optimierten ErgebnisNachdem eine komplette Finite-Elemente-Berechnung auch auf den heute verfügbaren schnellen Computersystemen nicht innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden kann, hat sich die hier beschriebene zweistufige Lösung der Vor-Optimierung durch einen schnellen Berechnungsansatz und der nachfolgenden Validierung des kompletten Werkzeugsatzes durch die FE-Methode im praktischen Einsatz bestens bewährt.Die Auswirkungen auf den ge-samten Ablauf in der Herstellung von Kaltwalzprofilen gehen über die Reduzierung der Einfahrzeiten für einen neuen Werkzeugsatz und Erhöhung der Prozesssicherheit hinaus. Der Profilhersteller erhält jetzt wichtige Kenntnisse und Erfahrungen über den gesamten Umformprozess Walzprofilieren und wird damit in die Lage versetzt, eventuelle Fehler und Probleme, die in diesem Zusammenhang auftreten, für neue Produkte bereits im Vorfeld auszuschließen.