DE10065142A1 - Process for the deformation of flat bodies into irregular, multidimensionally curved objects - Google Patents

Process for the deformation of flat bodies into irregular, multidimensionally curved objects

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Abstract

The invention relates to a computer-supported method for the shaping of flat bodies, such a sheets and plates to give irregularly curved, in particular, three-dimensional objects. The above are, for example, sections of ship hulls, housings, vehicle chassis or special containers. The aim of the invention is a method whereby flat bodies, in particular, strong sheet can be used to produce irregular, multi-dimensional, curved objects from the least number possible of individual components whilst maintaining the tightest of tolerances. A further aim is the shaping of large, thick sheets and overcoming the intrinsic resilience. According to the invention, the desired free-formed surface of the object is modelled using the CAD programme, a virtual division of the given surfaces into individual pieces is carried out and the separation of workpiece and tool from the individual support for the adjustable tool at fixed points is determined. The adjustment of the individual supports and the tool is carried out according to the above co-ordinates and the piece pressed in the form. Finally the individual pieces are connected together.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.The invention relates to a computer-aided method for the deformation of flat bodies such as sheets, plates in irregularly curved, especially three-dimensional Items. These are e.g. B. sections of ship hulls, Housing, car bodies or special containers.

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.Effective three-dimensional sheet metal forming processes are for thin-walled sheets and large quantities known. Area Sheets are pressed into dies that contain the final shape or formed by deep drawing. These dies are very costly and are therefore only at high Production quantities used. For larger sheet thicknesses from a thickness of 3 mm, these methods are not suitable. On the one hand the required forming forces are very high and on the other hand, there is a risk of wrinkles and tears in the sheet metal due to the large degrees of deformation.

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.In the previous processing methods for so-called Thick sheets are three-dimensional or evenly three-dimensional sional (cone, dome) bent / rolled and by joining a large number of sections (pieces) the desired Body put together. The process is very complex, only gives approximate spatial solutions and indefinite fes due to the strong internal tension generated.

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.For the manufacture of ship hulls is used for spatial shaped sections free sheet metal deformation under a Press carried out with the simplest tools. This approximately shaped sections are then by means of Auxiliary devices on the connectors on the hull Pressed in pieces, stapled and then overall welded. This technology requires a lot of experience  and is very unproductive. It is only suitable for individuals production. Since it is not clearly reproducible, it can you can't achieve higher accuracies.

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.It has therefore already been proposed (DE OS 198 33 658) that Contact surfaces for reshaping approximately from one Form a variety of individual supports. These single supports are height adjustable, creating any spatial shape can be generated. This is proposed for reshaping Single supports after placing the workpiece on the Starting position in the desired end position by appropriate Drives to move. The reshaping is also here the maximum degree of deformation (cracking) of the processing sheet limited.

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.The production of a still belongs to the state of the art three-dimensional body from a block by one Removal in layers to the final shape. The removal tool will controlled on the basis of the values of the CAD program. This system can therefore have any spatial shape be produced fully automatically.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

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.The object of the invention is to provide a method with that of flat bodies, especially thick sheets, irregular, multidimensionally curved objects as few individual pieces as possible while maintaining the tightest Tolerances can be manufactured. The task remains to deform large and thick sheets and the existing one Master springback.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen des Anspruchs eins gelöst.According to the invention the task is according to the features of claim one solved.

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.The invention is based on the idea of a flat, to optimally divide the body to be formed into individual pieces,  which are then welded into a body. The The division takes place through an optimization process (computer simulation) with the goal of maximum sheet size (therefore fewer weld seams during assembly) under Taking into account the geometry of the bearing surfaces limited max. Deformation angle. The so determined individual pieces are cut out of the plate with freely adjustable tools and then to the desired body, container, etc. put together. In order to the number of connecting lines is minimized.

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.In a further embodiment, the process was automated based on the requirements for the adjustment of adjustable Tools or for the production of the desired contour of non-adjustable tools from the constructive Data record can be derived. With that, the manufacture intricately shaped or spatially shaped sheets under Effective use of conventional presses.

Das neue Verfahren nutzt entsprechende CAD-Programme wie Mechanikal Desktop, CADDS5, Pro ENGINEER, CATIA, Solid Works etc., die eine Freiformmodellierung anbieten.The new process uses corresponding CAD programs such as Mechanical desktop, CADDS5, Pro ENGINEER, CATIA, Solid Works etc. that offer free-form modeling.

Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Schiffsrümpfen, ringförmigen Plasmagefäßen für physikalische Versuche und andere starkwandige, kurvenförmig-dreidimensionale Behälter.The field of application is the manufacture of ship hulls, annular plasma vessels for physical experiments and other thick-walled, curved three-dimensional containers.

B - BeispieleB - examples

Nachfolgend soll das Verfahren an einem Beispiel erläutert werden.The method is explained below using an example become.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte im Prinzip. Figs. 1 to 7 show the individual steps in principle.

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)To produce an irregularly shaped container from 10 mm thick sheet metal, the desired free-form surface is modeled in the CAD program. ( Fig. 1) There is a virtual division of the specified areas into individual pieces of sheet metal, taking into account the maximum degree of deformation. ( Fig. 2) The sheet is then virtually positioned in the tool and its position is optimized. The X and Y axes of the tool coordinate system determine the tool plane and the Z coordinates on the sheet metal surface the distance from the tool plane. ( Fig. 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)The tool level and the sheet metal are divided in the longitudinal and transverse directions with distances a and b, where a and b are the respective distances from individual supports of the adjustable tool in the X and Y directions or, for a fixed tool, discrete distances for the Determine its contour. ( Fig. 4) The associated Z coordinates are determined and recorded for all points on the sheet metal surface with the coordinates X and Y. Attention is paid to which side of the sheet metal this determination should take place (inside or outside). These target values are used to check the contour of the sheet to be produced after the shaping. The contour control is carried out either optically with theodolites or by means of a measuring table, which, like the virtual tool plane, is aligned relative to the deformed sheet metal for measurement. The measuring table therefore has the same coordinates as the tool. The setting values for a multifunctional tool are determined using a 2D or 3D method. A 2D method is the determination of the tool setting values in the average of the maximum deformations. The support head is modeled tangential to the cutting curve through the sheet surface in the Z direction in the affected support point (na; mb). ( Fig. 5) A 3D method involves determining the tool setting values virtually in space. The support head is modeled tangential to the sheet surface in the Z direction in the affected support point (na; mb). ( Fig. 6)

In gleicher Weise werden die Vorgaben sowohl für den Stempel als auch für die Matrize ermittelt. Die so ermittelten Ein-In the same way, the specifications for both the stamp as well as for the die. The inputs determined in this way

Claims (14)

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.1. A method for deforming flat bodies into irregular, multi-dimensionally curved objects with an upper and lower tool consisting of many individual supports, which is adjusted according to the desired deformation, characterized in that
the desired free-form surface of the object is modeled in the CAD program,
a virtual division of the specified areas into individual pieces taking into account the maximum degree of deformation and the size of the tool,
the individual piece is then virtually positioned in the tool and its position is optimized,
the tool level and the piece are divided in the longitudinal and transverse directions with distances a and b, where a and b are the respective distances from the individual support of the adjustable tool in the X and Y directions,
For all points on the piece surface with the coordinates X and Y, the associated Z coordinates are determined and recorded in a table,
The contour control of the sheet to be produced is carried out in accordance with these values,
The setting values of the individual supports are determined in the same coordinates,
the piece is pressed into the mold and the individual pieces are subsequently joined together. 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. 2. The method according to claim 1, characterized in that that the virtual division of the given areas individual pieces with a number of any in the room lying flat levels.   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.3. The method according to claim 1, characterized in that the virtual division of the given areas individual pieces with a number of any in the room 3D free-form surfaces. 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.4. The method according to claim 1, characterized in that the virtual division of the given areas individual pieces with a number of any projections the 2D or 3D straight line or any -Curves on the areas to be divided. 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.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that determining the setting values for a multifunctional tool based on a 2D method the maximum deformations is done by the support head tangential to the cutting curve through the piece surface in Z- Modeled the direction in the affected support point (n.a; m.b) becomes. 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.6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the determination of the setting values for a multifunctional les tool is done virtually in space using a 3D method, by the support head tangential to the piece surface in Z- Modeled the direction in the affected support point (n.a; m.b) becomes. 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. 7. The method according to claim 1, 5 and 6, characterized in that with a fixed tool discrete distances as an approximation for the determination of its contours and according to these Values the contours are created by machining.   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.8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that that the determined values for the contour control of the shaped piece using a measuring table, 3D Coordinate measuring machine or other measuring methods used become. 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 wird9. The method according to claim 1 to 6 and 8, characterized characterized that after deformation with the preset ideal values for the piece the over or Deflection dimensions determines the support settings of the Tool corrected accordingly and the piece again is formed 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.10. The method according to claim 1 to 9, characterized in that that supports are characterized in that their location in x and y direction (coordinate axes of the base plate) adjustable and their height adjustable in the Z direction are. 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.11. The method according to claim 1 to 10, characterized in that that the supports with depending on the need and application static or oscillating heads of different geometries are equipped. 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.12. The method according to claim 1 to 11, characterized in that that the adjustment of the supports independently or manually according to a defined principle done electrically, mechanically or hydraulically. 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
13. The method according to claim 1 to 12, characterized in that the determination of the specifications for the optimal pre-assembly of the sheets (minimizing the springback behavior) is carried out according to the following scheme:
  • virtual longitudinal and cross sections of the individual sheet are created along the rows of supports of the tool in the CAD program,
  • - These cuts are broken into two parts in the X = 0 and Y = 0 axis and the individual lengths for the partial cuts thus created are determined
  • - A defined edge area is added to each length determined in this way. These values form the development of the contour to be produced on the flat starting sheet
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.14. The method according to claim 1 to 13, characterized in that the requirements for marking the cut edge for cutting the sheet after the deformation takes place as follows:
first the main axes are marked on the deformed sheet,
the cut lengths determined are then applied according to their position on the surface of the deformed sheet,
the resulting polygon line represents the cutting edge,
To monitor the subsequent manufacturing process, this line is transferred to the sheet as a so-called QS line at a specified distance from the cutting edge.
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