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Simulation sichert und erweitert Blechumformung

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Produkte entstehen durch den Zusammenbau von Einzelteilen unter Verwendung einer an die Bauteilanforderungen, -werkstoffe und Stückzahlen angepassten Fügetechnik. Diese muss dabei als Teil der Fertigungsprozesskette betrachtet werden, da sie Maßhaltigkeit und technische Eigenschaften der Gesamtbaugruppe beeinflusst. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, auch bei der virtuellen Prozesskette Zusammenbau und Fügeprozess mit gleicher Detailgenauigkeit abzubilden, wie sie für die Modellierung der Formgebung der Einzelkomponenten angewendet wird.

Kombination von Umform- und Fügeprozessen

Industrielle Fügeverfahren wie das Punkt- oder Bahnschweißen sowie umformende Fügeverfahren wie Clinchen oder Stanznieten lassen sich mit Software von Simufact detailliert simulieren. Alle Simufact-Produkte verwenden einen kompatiblen Solver, sodass Prozessketten aus Umform- und Fügeprozessen auch programmübergreifend abgebildet werden können. Als Beispiel wird dazu die in Bild 3 dargestellte Zentralfederbein- (ZFB)Gabel betrachtet. Das Bauteil wird in einem mehrstufigen Umformprozess aus Blechhalbzeug geformt und mittels Lichtbogenschweißen mit Stegblechen am Gabelkopf komplettiert. Der Methodenplan für den Umformprozess wurde durch Simulationsrechnungen abgesichert. Hierzu kam ein Volumenmodell zum Einsatz, um die Effekte der engen Biegeradien bei vergleichsweise großer Materialdicke abbilden zu können. Aus den Berechnungen konnte abgeleitet werden, dass die umformende Formgebung eine Steigerung der Streckgrenze von circa 460 auf rund 795 MPa hervorruft (Bild 3, rechts).

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Simulation unter Berücksichtigung der Kaltverfestigung mit besseren Resultaten

Zur Ermittlung des aus dem Fügeprozess zu erwartenden Bauteilverzugs und dessen Kompensation kann dieser in einer Schweißstruktursimulation detailgetreu abgebildet werden. Dies wurde für die ZSB-Gabel exemplarisch sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung der Kaltverfestigung aus dem vorherigen Umformprozess durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Kaltverfestigung im Werkstoff bei unverändertem Spannkonzept zu unterschiedlichen Verformungen der Bauteilgeometrie führt. Die abweichenden Bereiche sind in Bild 4 markiert. Bei den Untersuchungen, die in Zusammenarbeit mit der Firma Vollmann Group durchgeführt wurden, ergab sich Folgendes: Die bei Vernachlässigung dieser Kaltverfestigung berechneten Verzüge an der Schweißgruppe lagen außerhalb der geforderten Toleranzen und hätten Kompensationsmaßnahmen an der Fixiervorrichtung erfordert. Demgegenüber zeigten die Ergebnisse der Berechnungen mit Berücksichtigung der Kaltverfestigung aus dem Umformprozess die Einhaltung der geforderten Maßtoleranzen und zudem eine bessere Übereinstimmung mit den realen Verzügen aus der späteren experimentellen Umsetzung.

Als Fazit kann somit festgehalten werden, dass eine verlässliche Vorhersage von Verzügen aus einer Fügesimulation auch die Berücksichtigung der Umformhistorie der zu fügenden Komponenten erfordert. So lassen sich mögliche Fehlentscheidungen bei der fertigungstechnischen Umsetzung eines Prozesses verhindern.

* Dr. Hendrik Schafstall ist Managing Director & CEO der Simufact Engineering GmbH in 21079 Hamburg

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