DE10065142A1

DE10065142A1 - Verfahren zur Verformung von flachen Körpern in unregelmäßig, mehrdimensional gekrümmte Gegenstände

Info

Publication number: DE10065142A1
Application number: DE10065142A
Authority: DE
Inventors: Simone Rubbert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-23
Filing date: 2000-12-23
Publication date: 2002-07-04
Also published as: DE10195601D2; WO2002051564A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein EDV-unterstütztes Verfahren für die Verformung von flachen Körpern wie Bleche, Platten in unregelmäßig gekrümmte, insbesondere dreidimensionale Gegenstände. Das sind z. B. Abschnitte von Schiffsrümpfen, Gehäuse, Autokarosserien oder Spezialbehälter. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem aus flachen Körpern, insbesondere Starkbleche, unregelmäßig, mehrdimensional gekrümmte Gegenstände aus möglichst wenigen Einzelstücken unter Einhaltung engster Toleranzen gefertigt werden können. Aufgabe ist es weiterhin große und dicke Bleche zu verformen und die vorhandene Rückfederung zu beherrschen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die gewünschte Freiformfläche des Gegenstandes im CAD-Programm modelliert, eine virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Stücke durchgeführt und die auf festgelegte Punkte bezogenen Abstände vom Werkstück und Werkzeug zum einzelnen Auflager des verstellbaren Werkzeuges ermittelt. DOLLAR A Nach diesen Koordinaten wird die Einstellung der einzelnen Auflager und des Werkzeuges durchgeführt und das Stück in die Form gepresst. Anschließend werden die Einzelstücke miteinander verbunden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein EDV-unterstütztes Verfahren für die Verformung von flachen Körpern wie Bleche, Platten in unregelmäßig gekrümmte, insbesondere dreidimensionale Gegenstände. Das sind z. B. Abschnitte von Schiffsrümpfen, Gehäuse, Autokarosserien oder Spezialbehälter.

Effektive dreidimensionale Blechumformverfahren sind für dünnwandige Bleche und hohen Stückzahlen bekannt. Flache Bleche werden in Gesenke, die die Endform enthalten, gepresst oder durch Tiefziehen umgeformt. Diese Gesenke sind sehr kostenaufwendig und werden deshalb nur bei hohen Produktionsstückzahlen eingesetzt. Für größere Blechstärken ab 3 mm Dicke sind diese Verfahren nicht geeignet. Einerseits sind die erforderlichen Umformkräfte sehr hoch und andererseits besteht eine Faltenbildungs- und Rissgefahr in den Blechen durch die großen Umformungsgrade.

Bei den bisherigen Verarbeitungsverfahren für sogenannte Starkbleche wird zweidimensional oder gleichmäßig dreidimen sional (Kegel, Kalotten) gebogen/gewalzt und durch Verbinden einer Vielzahl von Teilstücke (Stückeln) der gewünschte Körper zusammengefügt. Das Verfahren ist sehr aufwendig, ergibt nur räumliche Näherungslösungen und unbestimmte Fes tigkeiten, da das Zusammenschweißen starke innere Spannungen erzeugt.

Für die Herstellung von Schiffsrümpfen wird für räumlich geformte Teilstücke eine freie Blechverformung unter einer Presse mit einfachsten Hilfsmitteln durchgeführt. Diese näherungsweise geformten Teilstücke werden dann mittels Hilfsvorrichtungen an die Anschlussstücke am Schiffsrumpf stückweise angepresst, geheftet und anschließend insgesamt verschweißt. Diese Technologie erfordert sehr viel Erfahrung und ist sehr unproduktiv. Sie eignet sich nur für die Einzel fertigung. Da sie nicht eindeutig reproduzierbar ist, kann man keine höheren Genauigkeiten erreichen.

Es wurde deshalb schon vorgeschlagen (DE OS 198 33 658), die Auflageflächen zur Umformung näherungsweise aus einer Vielzahl von Einzelstützen auszubilden. Diese Einzelstützen sind höhenverstellbar, wodurch eine beliebige räumliche Form erzeugt werden kann. Zur Umformung wird vorgeschlagen diese Einzelstützen nach Auflage des Werkstückes von der Ausgangslage in die gewünschte Endlage durch entsprechende Antriebe zu verfahren. Die Umformung ist aber auch hier durch den maximalen Verformungsgrad (Rissbildung) des zu verarbeitenden Bleches beschränkt.

Zum Stand der Technik gehört weiterhin die Fertigung eines dreidimensionalen Körpers aus einem Block durch einen schichtweisen Abtrag bis zur Endform. Das Abtragwerkzeug wird dabei auf der Basis der Werte des CAD-Programms gesteuert. Durch dieses System kann somit eine beliebige räumliche Form vollautomatisch hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem aus flachen Körpern, insbesondere Starkbleche, unregelmäßig, mehrdimensional gekrümmte Gegenstände aus möglichst wenigen Einzelstücken unter Einhaltung engster Toleranzen gefertigt werden können. Aufgabe ist es weiterhin große und dicke Bleche zu verformen und die vorhandene Rückfederung zu beherrschen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.

Die Erfindung geht von der Idee aus, einen flachen, umzuformenden Körper optimal in einzelne Stücke aufzuteilen, die anschließend zu einem Körper verschweißt werden. Die Aufteilung erfolgt durch ein Optimierungsverfahren (Computer simulation) mit der Zielstellung maximaler Blechgröße (dadurch weniger Schweißnähte bei der Montage) unter Berücksichtigung der durch die Geometrie der Auflagerflächen begrenzten max. Verformungswinkel. Die so ermittelten einzelnen Stücke werden aus der Platte ausgeschnitten, mit frei verstellbaren Werkzeugen umgeformt und anschließend zu dem gewünschten Körper, Behälter usw. zusammengefügt. Damit wird die Anzahl der Verbindungslinien minimiert.

In weiterer Ausgestaltung wurde das Verfahren so automati siert, das Vorgaben für die Einstellung von verstellbaren Werkzeugen oder für die Herstellung der gewünschten Kontur von nicht verstellbaren Werkzeugen von dem konstruktiven Datensatz abgeleitet werden. Damit wird die Herstellung kompliziert geformter, bzw. räumlich geformter Bleche unter Einsatz üblicher Pressen effektiv möglich.

Das neue Verfahren nutzt entsprechende CAD-Programme wie Mechanikal Desktop, CADDS5, Pro ENGINEER, CATIA, Solid Works etc., die eine Freiformmodellierung anbieten.

Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Schiffsrümpfen, ringförmigen Plasmagefäßen für physikalische Versuche und andere starkwandige, kurvenförmig-dreidimensionale Behälter.

B - Beispiele

Nachfolgend soll das Verfahren an einem Beispiel erläutert werden.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte im Prinzip.

Zur Herstellung eines unregelmäßig geformten Behälters aus 10 mm dickem Blech wird die gewünschte Freiformfläche im CAD- Programm modelliert. (Abb. 1) Es erfolgt eine virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Blechstücke unter Berücksichtigung des maximalen Verformungsgrades. (Abb. 2) Das Blech wird einschließend virtuell im Werkzeug positio niert und seine Lage optimiert. Die X- und Y-Achsen des Werkzeugkoordinatensystems bestimmen die Werkzeugebene und die Z-Koordinaten auf der Blechoberfläche den Abstand von Werkzeugebene. (Abb. 3)

Die Werkzeugebene und das Blech werden in Langs- und Quer richtung mit Abständen a und b unterteilt, dabei sind a und b die jeweiligen Abstände von einzelnem Auflager des verstell baren Werkzeuges in X- und Y-Richtung oder bei einem festen Werkzeug diskrete Abstände für die Bestimmung dessen Kontur. (Abb. 4) Es werden für alle Punkte auf der Blechoberfläche mit den Koordinaten X und Y die zugehörige Z-Koordinaten ermittelt und festgehalten. Dabei wird geachtet auf welcher Seite des Bleches diese Ermittlung erfolgen soll (innen oder außen). Diese Soll-Werte dienen zur Konturkontrolle des herzustellenden Bleches nach dem Verformen. Die Konturkon trolle erfolgt entweder optisch mit Theodoliten oder mittels eines Messtisches, der genauso wie die virtuelle Werkzeugebe ne relativ zum verformten Blech zum Vermessen ausgerichtet wird. Der Messtisch besitzt demzufolge die selben Koordinaten wie das Werkzeug. Die Ermittlung der Einstellwerte für ein multifunktionales Werkzeug erfolgt nach einer 2D- oder einer 3D-Methode. Bei einer 2D-Methode handelt sich um die Ermitt lung der Werkzeugeinstellwerte im Schnitt der maximalen Verformungen. Dabei wird der Auflagerkopf tangential zur Schnittkurve durch die Blechoberfläche in Z-Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n.a; m.b) modelliert. (Abb. 5) Bei einer 3D-Methode handelt sich um die Ermittlung der Werkzeug einstellwerte virtuell im Raum. Dabei wird der Auflagerkopf tangential zur Blechoberfläche in Z-Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n.a; m.b) modelliert. (Abb. 6)

In gleicher Weise werden die Vorgaben sowohl für den Stempel als auch für die Matrize ermittelt. Die so ermittelten Ein-

Claims

1. Verfahren zur Verformung von flachen Körpern in unregelmäßig, mehrdimensional gekrümmte Gegenstände mit einem aus vielen einzelnen Auflagern bestehenden Ober- und Unterwerkzeug, das entsprechend der gewünschten Umformung eingestellt wird dadurch gekennzeichnet, dass
die gewünschte Freiformfläche des Gegenstandes im CAD- Programm modelliert wird,
eine virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Stücke unter Berücksichtigung des maximalen Verformungsgrades und der Größe des Werkzeuges erfolgt,
das einzelne Stück anschließend virtuell im Werkzeug positioniert und seine Lage optimiert wird,
die Werkzeugebene und das Stück in Längs- und Querrich tung mit Abständen a und b unterteilt werden, dabei sind a und b die jeweiligen Abstände vom einzelnen Auflager des verstellbaren Werkzeuges in X- und Y-Richtung,
für alle Punkte auf der Stückoberfläche mit den Koordi naten X und Y werden die zugehörige Z-Koordinaten ermit telt und tabellarisch festgehalten,
entsprechend diesen Werten wird die Konturkontrolle des herzustellenden Bleches durchgeführt,
in gleichen Koordinaten werden die Einstellwerte der einzelnen Auflager ermittelt,
das Stück in die Form gepresst und die Einzelstücke nachfolgend miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Stücke mit einer Reihe der beliebig im Raum liegenden flachen Ebenen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Stücke mit einer Reihe der beliebig im Raum liegenden 3D-Freiformflächen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Aufteilung der vorgegebenen Flächen auf einzelne Stücke mit einer Reihe der beliebigen Projektionen der beliebig im Raum liegenden 2D- oder 3D-Geraden oder -Kurven auf die aufzuteilenden Flächen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Einstellwerte für ein multifunktionales Werkzeug nach einer 2D-Methode im Schnitt der maximalen Verformungen erfolgt, indem der Auflagerkopf tangential zur Schnittkurve durch die Stückoberfläche in Z- Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n.a; m.b) modelliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Einstellwerte für ein multifunktiona les Werkzeug nach einer 3D-Methode virtuell im Raum erfolgt, indem der Auflagerkopf tangential zur Stückoberfläche in Z- Richtung im betroffenen Auflagerpunkt (n.a; m.b) modelliert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem festen Werkzeug diskrete Abstände als Näherung für die Bestimmung dessen Konturen festgelegt und nach diesen Werten die Konturen durch Zerspanung hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Werte zur Konturenkontrolle des geformten Stückes mittels Messtisch, 3D- Koordinatenmeßmaschine oder anderer Messverfahren verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Verformung mit den voreingestellten idealen Werten für das Stück die Über- bzw. Unterbiegungsmaße bestimmt, die Auflagereinstellungen des Werkzeuges entsprechend korrigiert und das Stück nochmals geformt wird

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Auflager dadurch gekennzeichnet sind, dass deren Lage in x- und y-Richtung (Koordinatenachsen der Grundplatte) verstellbar und deren Höhe in Z-Richtung beliebig einstellbar sind.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflager je nach Bedarf und Einsatzfall mit statischen oder pendelnden Köpfen unterschiedlicher Geometrie bestückt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Auflager unabhängig voneinander oder nach einem festgelegten Prinzip abhängig voneinander manuell elektrisch, mechanisch oder hydraulisch erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Vorgaben für die optimale Vorkonfek tionierung der Bleche (Minimierung des Rückfederungsverhal tens) nach folgendem Schema erfolgt:

- virtuelle Längs- und Querschnitte des einzelnen Bleches werden entlang der Auflagerreihen des Werkzeuges im CAD- Programm erzeugt,
- diese Schnitte werden in der X = 0 und Y = 0-Achse auf jeweils zwei Teile gebrochen und die einzelnen Längen für die so entstandenen Teilschnitte ermittelt
- zu jeder so ermittelten Länge wird ein festgelegter Randbereich dazu addiert. Diese Werte bilden die Abwicklung der herzustellenden Kontur auf dem ebenen Ausgangsblech

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgaben für die Markierung der Schnittkante zum Schneiden des Bleches nach der Verformung wie folgt stattfindet:
zuerst werden die Hauptachsen auf dem verformten Blech markiert,
danach werden die ermittelten Schnittlängen entsprechend deren Lage auf der Oberfläche des verformten Bleches aufgetragen,
der so entstandene Polygonenzug stellt die Schnittkante dar,
zur Überwachung des anschließenden Fertigungsprozesses wird diese Linie als sog. QS-Linie in einem festgelegten Abstand von der Schnittkante auf das Blech übertragen.