DE102021207020A1 - Process for the production of sheet metal components obtained by forming - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Herstellung von durch Umformen, insbesondere Tiefziehen erhaltenen Blechbauteilen wird an mindestens einer Oberfläche eines plattenförmigen metallischen Halbzeugs (1) lokal definiert mit mindestens einem Konditionierwerkzeug (3, 4, 5) ein vorgegebener Weg zurückgelegt und/oder eine vorgebbare Druckkraft an vorgegebenen Positionen (2.1) oder (2.2) in Pressrichtung ausgeübt, so dass an diesen Positionen des plattenförmigen Halbzeuges (1) für eine lokal definierte Konditionierung (2.3) oder (2.4) eine lokale Umformung, die insbesondere eine Biegeumformung ist, eine lokal definierte Kaltverfestigung des jeweiligen Halbzeugwerkstoffs und/oder eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs (1) bewirkt wird. Dabei werden die vorgegebenen Positionen der lokal definierten Konditionierung unter Berücksichtigung der beim Umformen lokal definiert zu erreichenden Eigenschaftsänderungen oder im Betrieb des Bauteils auftretende Belastungen mittels Erfahrungswissen von Fachleuten, durch empirische Versuchsdurchführung, durch mathematische Simulationsrechnung und/oder durch virtuelle Prognosemodelle bestimmt.In the method for producing sheet metal components obtained by forming, in particular deep-drawing, a predetermined path is covered locally in a defined manner on at least one surface of a plate-shaped metallic semi-finished product (1) with at least one conditioning tool (3, 4, 5) and/or a predetermined compressive force is applied to predetermined ones Positions (2.1) or (2.2) are exerted in the pressing direction, so that at these positions of the plate-shaped semi-finished product (1) for a locally defined conditioning (2.3) or (2.4) a local deformation, which is in particular a bending deformation, a locally defined work hardening of the respective semi-finished product material and/or a change in the thickness of the plate-shaped semi-finished product (1) is brought about. The specified positions of the locally defined conditioning, taking into account the locally defined changes in properties to be achieved during forming or loads occurring during operation of the component, are determined by means of the empirical knowledge of experts, by empirical test implementation, by mathematical simulation calculations and/or by virtual forecast models.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von durch Umformen, insbesondere Tiefziehen erhaltenen Blechbauteilen. Sie kann grundsätzlich zur optimierten Herstellung von Tiefziehbauteilen verwendet werden. Dies ist speziell bei Bauteilen der Fall, welche eine kritische Geometrie besitzen (hoher Umformgrad bei einem Umformvorgang), Schwachstellen durch lokale Dehnung aufweisen oder zur Herstellung mehrstufige Umformprozesse durchgeführt werden müssen. Die Anwendungsgebiete reichen von der Weißwarenindustrie bis zur Automobilindustrie. In der Automobilindustrie ist vor allem die erreichbare Verbesserung der Crash-Eigenschaften besonders interessant. Die zwei Ziele sind also verbesserte Umformbarkeit bei der Herstellung (Thema A) und günstigere Gebrauchseigenschaften bei der Nutzung (Thema B).The invention relates to a method for producing sheet metal components obtained by forming, in particular deep drawing. In principle, it can be used for the optimized production of deep-drawn components. This is particularly the case for components that have a critical geometry (high degree of deformation during a forming process), have weak points due to local expansion, or multi-stage forming processes have to be carried out to produce them. The areas of application range from the white goods industry to the automotive industry. In the automotive industry, the improvement in crash properties that can be achieved is of particular interest. So the two goals are improved formability during manufacture (Theme A) and more favorable performance properties during use (Theme B).
Zum Thema A: Eine Grenze beim Tiefziehen ist die bekannte lokale Ausdünnung mit anschließender Rissentstehung in bestimmten insbesondere stark beim Tiefziehen verformten Bauteilbereichen. Ursachen hierfür sind die während der Umformung auftretenden örtlichen Belastungen, welche die Materialfestigkeit an der Versagensstelle übersteigen. Diese Belastungen sind örtlich im Blech und zeitlich während des Tiefziehens in unterschiedlichen Bereichen des jeweiligen Bauteils unterschiedlich groß. Genauso sind die Materialeigenschaften örtlich und zeitlich unterschiedlich, da während des Tiefziehens die Blechdicke abnimmt bzw. zunimmt und somit die örtliche Belastbarkeit verringert/erhöht; wobei in beiden Fällen die Kaltverfestigung zunimmt und damit die örtliche Belastbarkeit gesteigert wird. Übersteigt die Belastung die örtliche Materialfestigkeit, liegt eine lokale „Schwachstelle“ vor. Beim Tiefziehen sind also die Komplexität der dreidimensionalen Bauteile bzw. die Prozessstabiltät durch diese lokalen Schwachstellen eingeschränkt. Deshalb gibt es Bauteilgeometrien, die nur mithilfe von mehrstufigen Vorgehensweisen mit unterschiedlich gestalteten Werkzeugen nacheinander durchgeführt werden können oder gar nicht mittels Blechumformung herstellbar sind.Regarding topic A: A limitation in deep drawing is the well-known local thinning with the subsequent formation of cracks in certain component areas that are particularly severely deformed during deep drawing. The causes for this are the local loads occurring during the forming process, which exceed the material strength at the point of failure. These loads vary in magnitude locally in the sheet metal and over time during deep-drawing in different areas of the respective component. Likewise, the material properties vary locally and over time, since the sheet thickness decreases or increases during deep-drawing and thus the local load capacity decreases/increases; In both cases, the strain hardening increases and the local load-bearing capacity is increased. If the load exceeds the local material strength, there is a local "weak point". In deep drawing, the complexity of the three-dimensional components and the process stability are limited by these local weak points. That is why there are component geometries that can only be produced one after the other using multi-stage procedures with differently designed tools or cannot be produced at all using sheet metal forming.
Zum Thema B: Eine Grenze bei der Nutzung von tiefgezogenen Blechbauteilen liegt in den lokalen Eigenschaften. Der Ort im dreidimensionalen Bauteil mit der höchsten Belastung im Lebenszyklus - hier nachfolgend auch „Hotspot“ genannt - bestimmt die zu wählende Blechdicke und Materialfestigkeit des Halbzeuges. Die Änderungen beim Tiefziehen (lokale Änderung der Blechdicke und Kaltverfestigung) müssen beachtet werden und führen i.d.R. dazu, dass die Mindestwerte für Blechdicke und Festigkeit im Halbzeug erhöht werden müssen, um zum einen im Bereich der „Schwachstellen“ beim Tiefziehen kein Versagen zu erleiden und zum anderen die „Hotspots“ belastungsfähig zu machen. Die Möglichkeiten, die auftretende Kaltverfestigung beim Tiefziehen lokal zu nutzen und die „Hotspots“ zu verbessern sind aber bisher begrenzt. Zum Beispiel werden sich deformierende Bauteile zur Absorption von Kräften in Fahrzeugstrukturen bei einem Crash verwendet. Sie sind hinsichtlich ihrer Energieaufnahme über dem Verformungsweg auszulegen. Die Möglichkeiten, dieses Verhalten gezielt und präzise im Tiefziehprozess zu beeinflussen, sind mithilfe der Möglichkeiten klassischer Tiefziehverfahren eng begrenzt.On topic B: One limit when using deep-drawn sheet metal components lies in the local properties. The place in the three-dimensional component with the highest load in the life cycle - also referred to as "hotspot" in the following - determines the sheet thickness and material strength of the semi-finished product to be selected. The changes during deep drawing (local change in sheet thickness and strain hardening) must be taken into account and usually lead to the minimum values for sheet thickness and strength in the semi-finished product having to be increased in order to avoid failure in the area of the "weak points" during deep drawing and to to make the "hotspots" resilient to others. However, the possibilities of locally using the strain hardening that occurs during deep drawing and improving the "hotspots" have so far been limited. For example, deforming components are used to absorb forces in vehicle structures during a crash. They are to be designed with regard to their energy absorption over the deformation path. The possibilities of influencing this behavior in a targeted and precise manner in the deep-drawing process are very limited with the possibilities of classic deep-drawing processes.
Die einfachste Lösung der hier beschriebenen Probleme ist die Verwendung von teureren Halbzeugen (Blechplatinen), die eine größere Ausgangsblechdicke und/oder bessere Eigenschaften aufweisen; z.B. höhere Festigkeit und Dehnbarkeit, was die Eigenmasse und die Kosten der jeweiligen Bauteile erhöht.The simplest solution to the problems described here is the use of more expensive semi-finished products (sheet metal), which have a greater initial sheet thickness and/or better properties; e.g. higher strength and ductility, which increases the intrinsic mass and the costs of the respective components.
Weiterhin werden zur Erweiterung von Prozessgrenzen (Thema A) oder der Verbesserung von Bauteileigenschaften (Problem B) im industriellen Umfeld bereits Platinen mit variabel gestalteten Eigenschaften über der Geometrie eingesetzt. Diese sogenannten Tailored Blanks zeichnen sich zum Beispiel durch eine variable Blechdicke oder Wärmebehandlung über der Geometrie aus. Diese sind aber hinsichtlich der variabel zu gestaltenden Eigenschaften selbst, als auch den möglichen geometrischen Gestaltungsfreiheiten über der als Halbzeug eingesetzten Platine verfahrensspezifische Grenzen gesetzt. Beispielsweise können Platinen mit bestimmten geforderten Eigenschaften nicht hergestellt werden.Furthermore, circuit boards with variably designed properties over the geometry are already being used in the industrial environment to expand process limits (topic A) or to improve component properties (problem B). These so-called tailored blanks are characterized, for example, by a variable sheet thickness or heat treatment based on the geometry. However, these are subject to process-specific limits with regard to the properties themselves, which can be variably designed, as well as the possible geometric design freedom over the blank used as a semi-finished product. For example, circuit boards with certain required properties cannot be manufactured.
Eine weitere bekannte Lösung der Probleme ist das mehrstufige Tiefziehen von Blechformteilen. Ist das Formänderungsvermögen im Erstzug erschöpft, erfolgt die Formgebung im Weiterzug in weiteren einzelnen aufeinander folgenden Stufen. Der mehrstufige Umformprozess wird mit verketteten Einzelpressen, entsprechend größeren Pressen mit mehreren Werkzeugstufen oder Folgeverbundwerkzeugen realisiert. Alle Lösungen zeichnen sich durch multiple Pressen- und Werkzeugtechnik aus und sind dementsprechend kostenintensiv.Another well-known solution to the problem is the multi-stage deep drawing of shaped sheet metal parts. If the ability to change shape in the first pull is exhausted, the shaping takes place in the further pull in further individual successive stages. The multi-stage forming process is realized with interlinked individual presses, correspondingly larger presses with several die stages or progressive dies. All solutions are characterized by multiple press and tool technology and are therefore expensive.
Zur Lösung dieser Probleme wurde das nachfolgend so genannte BiDirectionalDrawing (BDD), wie es in
Dabei können durch das Wechselbiegen mit mehreren Werkzeugachsen die lokalen Eigenschaften im Bauteil verändert werden. Zur Erzeugung von lokal definierten Eigenschaften werden ausschließlich die üblichen Tiefziehwerkzeuge verwendet. Dementsprechend können lediglich die Bereiche im Bauteil beeinflusst werden, die während des Biegevorgangs durch das Tiefziehwerkzeug erreichbar sind. Die lokal definierte Beeinflussung der Eigenschaften eines Blechs ist somit begrenzt, da bestimmte Bereiche eines zu verformenden Blechs nicht zugänglich und damit auch nicht beeinflussbar sind, da dies mit den bisher eingesetzten Tiefziehwerkzeugen nicht möglich ist.The local properties in the component can be changed by alternating bending with several tool axes. Only the usual deep-drawing tools are used to create locally defined properties. Accordingly, only the areas in the component that can be reached by the deep-drawing tool during the bending process can be influenced. The locally defined influencing of the properties of a metal sheet is therefore limited, since certain areas of a metal sheet to be deformed are not accessible and therefore also cannot be influenced, since this is not possible with the deep-drawing tools used hitherto.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten eine verbesserte lokal definierte Beeinflussung des Tiefziehverhaltens und/oder der Festigkeit, insbesondere der Festigkeit in Hotspot-Bereichen anzugeben, wobei die Anforderungen an die Dicke eines eingesetzten plattenförmigen Halbzeugs und die Grundfestigkeit des jeweiligen Bauteilwerkstoffs gesenkt und damit die Bauteilkosten und Eigenmasse reduziert werden können.It is therefore the object of the invention to specify ways of improving the locally defined influencing of the deep-drawing behavior and/or the strength, in particular the strength in hotspot areas, whereby the requirements for the thickness of a plate-shaped semi-finished product used and the basic strength of the respective component material are reduced and thus the Component costs and weight can be reduced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a method having the features of
Bei dem Verfahren wird mit mindestens einem Konditionierwerkzeug an mindestens einer Oberfläche eines plattenförmigen metallischen Halbzeugs lokal definiert an vorgegebenen Positionen ein vorgegebener Weg zurückgelegt und/oder eine vorgebbare Druckkraft in einer Pressrichtung ausgeübt, so dass an diesen Positionen des plattenförmigen Halbzeuges für eine lokal definierte Konditionierung eine lokale Umformung, die insbesondere eine Biegeumformung ist, eine lokal definierte Kaltverfestigung des jeweiligen Halbzeugwerkstoffs und/oder eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs bewirkt wird, wobei die vorgegebenen Positionen der lokalen Umformung unter Berücksichtigung der beim Umformen lokal definiert zu erreichenden Eigenschaftsänderungen oder im Betrieb des Bauteils auftretende Belastungen mittels Erfahrungswissen von Fachleuten, durch empirische Versuchsdurchführung, durch mathematische Simulationsrechnung und/oder durch virtuelle Prognosemodelle bestimmt werden.In the method, at least one conditioning tool is used to cover at least one surface of a plate-shaped metallic semi-finished product in a locally defined manner at predetermined positions and/or to apply a predetermined compressive force in a pressing direction, so that at these positions of the plate-shaped semi-finished product for a locally defined conditioning a local deformation, which is in particular a bending deformation, a locally defined strain hardening of the respective semi-finished material and/or a change in the thickness of the plate-shaped semi-finished product is effected, with the specified positions of the local deformation taking into account the locally defined property changes to be achieved during the deformation or during operation of the Component occurring loads are determined by the experience of experts, by empirical test implementation, by mathematical simulation calculation and / or by virtual forecast models.
Im Anschluss an die lokal definierte Konditionierung an den vorgegebenen Positionen kann mit den erreichten Veränderungen von Festigkeit und/oder Dicke das Bauteil mit ein- oder mehrstufiger Umformung, insbesondere ein- oder mehrfachem Tiefziehen in seine Endform gebracht werden. Dies kann mit üblicherweise genutzten Umformpressen und -werkzeugen erreicht werden.Following the locally defined conditioning at the specified positions, the component can be brought into its final shape with one- or multi-stage forming, in particular single or multiple deep-drawing, with the changes in strength and/or thickness that have been achieved. This can be achieved with commonly used forming presses and tools.
An den vorgegebenen Positionen kann eine Bewegung des mindestens einen Konditionierwerkzeuges mit Biegewechselbeanspruchung des plattenförmigen Halbzeuges mit vorgegebener Frequenz, Anzahl der Bewegungen, beim Umformen zurückgelegten Wegen und/oder jeweiligen Amplituden oder Druckkräften auch mit alternierenden zeitabhängig variablen Weg- und/oder Druckkraftvorgaben mit dem mindestens einen Konditionierwerkzeug durchgeführt werden. Am plattenförmigen Halbzeug sollten bei Durchführung dieser Biegeverformung maximal ein Weg, von 30 mm, bevorzugt 10 mm zurückgelegt werden.At the specified positions, a movement of the at least one conditioning tool with alternating bending stress on the plate-shaped semi-finished product with a specified frequency, number of movements, distances covered during forming and/or respective amplitudes or compressive forces can also be carried out with alternating time-dependent variable path and/or compressive force specifications with the at least one conditioning tool are carried out. When carrying out this bending deformation, a maximum distance of 30 mm, preferably 10 mm, should be covered on the plate-shaped semi-finished product.
Der jeweilige vorgegebene Weg und/oder die vorgegebene Druckkraft auf die vorgegebenen Positionen kann/können auf die mindestens eine Oberfläche an den jeweils vorgegebenen Positionen so aufgebracht werden, dass die Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder die Kaltverfestigung einer vorgegebenen Kontur entsprechend folgend durchgeführt wird.The respective predefined path and/or the predefined compressive force on the predefined positions can/can be applied to the at least one surface at the respective predefined positions in such a way that the change in the thickness of the plate-shaped semi-finished product and/or the work hardening is carried out according to a predefined contour will.
Es sollten vorgegebene Positionen bestimmt werden, die diskret zueinander angeordnet sind oder eine Linie einer Kontur bilden. Es können dabei linienförmige Konturen ausgebildet werden, die einen durch Druckkraftwirkung unbeeinflussten Bereich des plattenförmigen Halbzeugs zumindest teilweise umschließen. Dies kann auch mit Konditionierwerkzeugen, die ebene Oberflächen aufweisen erreicht werden.Predetermined positions should be determined, which are arranged discretely from one another or form a line of a contour. In this case, linear contours can be formed which at least partially enclose a region of the plate-shaped semi-finished product that is unaffected by the effect of compressive force. This can also be achieved with conditioning tools that have flat surfaces.
Vorteilhaft kann die Konditionierung so durchgeführt werden, dass das plattenförmige Halbzeug im Anschluss an die lokal definierte Konditionierung und vor Beginn einer weiteren Umformung vorzugsweise eine weitest gehende ebene Oberfläche, aufweist. Maximal kann die Abweichung der Ebenheit die oben genannten 30 mm betragen.The conditioning can advantageously be carried out in such a way that the plate-shaped semi-finished product preferably has a largely flat surface after the locally defined conditioning and before the start of further forming. The maximum deviation in flatness can be the above-mentioned 30 mm.
Die Konditionierung kann in einer gesonderten Vorrichtung durchgeführt werden, wobei die gesonderte Vorrichtung sich von der Presse, die zum Umformen nach der Konditionierung eingesetzt wird, unterscheidet. Dabei kann die gesonderte Vorrichtung erheblich einfacher aufgebaut, konstruiert und herstellbar sein, als eine Umformpresse. Sie sollte es lediglich ermöglichen Verformungen an verschiedensten Positionen, die möglichst flexibel ausgewählt werden können an einem plattenförmigen Halbzeug mit einem oder mehreren Konditionierwerkzeugen durchführen zu können. Dies kann beispielsweise mit einer entsprechenden zweidimensionalen Relativbewegung von Konditionierwerkzeug(en) und plattenförmigem Halbzeug erreicht werden. Im Anschluss an die Konditionierung kann das konditionierte Halbzeug in einem Umformwerkzeug ein- oder mehrstufig fertig umgeformt werden.The conditioning can be carried out in a separate device, the separate device being different from the press used for forming after conditioning. In this case, the separate device can be constructed, constructed and manufactured in a considerably simpler manner than a forming press. It should only make it possible to carry out deformations in a wide variety of positions, which can be selected as flexibly as possible, on a plate-shaped semi-finished product with one or more conditioning tools. This can be achieved, for example, with a corresponding two-dimensional relative movement of the conditioning tool(s) and the plate-shaped semi-finished product. After conditioning, the conditioned semi-finished product can be fully formed in a forming tool in one or more stages.
Bei einer gleichzeitigen lokal definierten Konditionierung entlang mindestens eines offenen Linienzugs und mindestens einer geschlossenen Kontur kann mindestens ein Konditionierwerkzeug eingesetzt werden, das eine dreidimensional konturierte Oberfläche in Kombination mit an die dreidimensional konturierte Oberfläche angepassten, durch die Matrizen dringenden Stempelstiften oder eine ebenfalls durch die Matrizen dringende dreidimensionale Geometrie von Stempeln aufweist, so dass das plattenförmige Halbzeug an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen entsprechend der dreidimensional konturierten Oberfläche der jeweiligen Matrize in Kombination mit den auf die dreidimensional geformte Oberfläche angepassten, durch die Matrizen dringenden Stempelstiften an den entsprechenden vorgegebenen Positionen auf den Stempeln oder der durch die Matrizen dringenden dreidimensionalen Geometrie von Stempeln durch deren Bewegung verformt wird, um im Bereich der entsprechenden vorgegeben Positionen eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs zu erreichen.In the case of a simultaneous, locally defined conditioning along at least one open line and at least one closed contour, at least one conditioning tool can be used that has a three-dimensionally contoured surface in combination with stamping pins that are adapted to the three-dimensionally contoured surface and penetrate through the matrices, or a stamping pin that also penetrates through the matrices has three-dimensional geometry of stamps, so that the plate-shaped semi-finished product at different predetermined positions corresponding to the three-dimensionally contoured surface of the respective die in combination with the stamp pins adapted to the three-dimensionally shaped surface and penetrating through the dies at the corresponding predetermined positions on the stamps or the through the matrices urgent three-dimensional geometry of stamps is deformed by their movement to a range of the corresponding predetermined positions To achieve change in the thickness of the plate-shaped semi-finished product and / or the strength of the semi-finished material.
Teilwerkzeuge können aber auch in eine Presse integriert sein und mit der Presse und den Teilwerkzeugen kann dann zuerst eine Konditionierung und im Anschluss daran eine Umformung durchgeführt werden. In diesem Fall kann auf den Einsatz einer gesonderten Vorrichtung, in der dann nur eine Konditionierung durchgeführt wird, verzichten werden.Partial tools can, however, also be integrated into a press and conditioning can then first be carried out with the press and the partial tools, followed by forming. In this case, the use of a separate device, in which only conditioning is then carried out, can be dispensed with.
Als Teilwerkzeug können stempel- oder stiftförmige Teilwerkzeuge eingesetzt werden. Diese sollten an der Oberfläche, die mit dem plattenförmigen Halbzeug in Kontakt gebracht werden, konvex gekrümmt ausgebildet sein und einen Mindestradius aufweisen, mit dem eine Ausbildung von Kerben an der Halbzeugoberfläche vermieden werden kann.Stamp or pin-shaped part tools can be used as the part tool. These should be convexly curved on the surface that is brought into contact with the plate-shaped semi-finished product and have a minimum radius with which the formation of notches on the surface of the semi-finished product can be avoided.
Es können auch ineinandergreifende Konditionierwerkzeuge zur Realisierung der lokal definierten Konditionierung entlang mindestens eines offenen Linienzugs und mindestens einer geschlossenen Kontur an einem Konditionierwerkzeug und damit bei einem Bewegungsablauf eingesetzt werden.Interlocking conditioning tools can also be used to implement the locally defined conditioning along at least one open polyline and at least one closed contour on a conditioning tool and thus in a movement sequence.
Die lokal definierte Konditionierung kann entlang mindestens eines offenen Linienzugs und/oder mindestens einer geschlossenen Kontur mit einem punktuell wirkenden Konditionierwerkzeug mit mehrfach nacheinander durchgeführter Konditionierung an diskreten Positionen der Oberfläche des jeweiligen plattenförmigen Halbzeugs durchgeführt werden, um im Bereich der entsprechenden vorgegebenen Positionen eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs zu erreichen.The locally defined conditioning can be carried out along at least one open polyline and/or at least one closed contour with a selectively acting conditioning tool with conditioning carried out several times in succession at discrete positions on the surface of the respective plate-shaped semi-finished product in order to change the thickness in the area of the corresponding predetermined positions of the plate-shaped semi-finished product and/or the strength of the semi-finished product material.
Es kann auch mindestens ein punktuell wirkendes Konditionierwerkzeug in Kombination mit einer Bewegungseinheit und einer Ablage über das plattenförmige Halbzeug an die entsprechenden diskreten Positionen bewegt werden oder das plattenförmige Halbzeug kann mit einer entsprechenden Bewegungseinheit bewegt werden, so dass im Bereich der entsprechenden Positionen entlang mindestens eines offenen Linienzugs und/oder mindestens einer geschlossenen Kontur eine Veränderung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs erreicht wird/werden.At least one selectively acting conditioning tool in combination with a movement unit and a shelf can also be moved over the plate-shaped semi-finished product to the corresponding discrete positions, or the plate-shaped semi-finished product can be moved with a corresponding movement unit, so that in the area of the corresponding positions along at least one open Polyline and / or at least one closed contour a change in the thickness of the plate-shaped semi-finished product and / or the strength of the semi-finished material is / are achieved.
In jeder Ausführung der Erfindung können diskrete Positionen mit den vorgegebenen Positionen übereinstimmen. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein, wenn gewährleistet sein kann, dass durch Einwirkung eines Konditionierwerkzeugs oder eines Teilwerkzeugs an den vorgegebenen Positionen die jeweils gewollte Beeinflussung der Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder der Festigkeit des Halbzeugwerkstoffs lokal definiert erreicht werden kann.In any embodiment of the invention, discrete positions may correspond to the predetermined positions. However, this does not necessarily have to be the case if it can be guaranteed that the desired influencing of the thickness of the plate-shaped semi-finished product and/or the strength of the semi-finished product material can be locally defined by the action of a conditioning tool or a sub-tool at the specified positions.
Wirken ein oder mehrere Konditionierwerkzeug(e) lediglich an einer Oberfläche eines plattenförmigen Halbzeugs und die gegenüberliegend angeordnete Oberfläche liegt auf einer ebenen Fläche auf, kann an den vorgegebenen Positionen im Wesentlichen lediglich seine Dicke lokal definiert verändert werden, so dass durch plastische Verformung des Halbzeugs eine Werkstoffverteilung erreicht werden kann, mit der bestimmte Bereiche eines plattenförmigen Halbzeugs ein größeres Werkstoffvolumen in einem entsprechend begrenzten Bereich aufweisen, die ein „Werkstoffreservoir“ für das eigentliche Tiefziehen in Bereichen eines Halbzeugs darstellen. In diesen Bereichen ist eine stärkere Verformung als in anderen Bereichen möglich, so dass eine zu starke Werkstoffdickenreduzierung beim Tiefziehen, die zu einer Rissbildung führen kann, vermieden werden kann.If one or more conditioning tool(s) act only on one surface of a plate-shaped semi-finished product and the surface arranged opposite lies on a flat surface, essentially only its thickness can be changed locally in a defined manner at the specified positions, so that plastic deformation of the semi-finished product Material distribution can be achieved with which certain areas of a plate-shaped semi-finished product have a larger volume of material in a correspondingly limited area, which represents a "material reservoir" for the actual deep-drawing in areas of a semi-finished product. Greater deformation is possible in these areas than in other areas, so that an excessive reduction in material thickness during deep-drawing, which can lead to the formation of cracks, can be avoided.
Erfolgt eine wechselnde Druckkraftwirkung, insbesondere mit einer Biegewechselbeanspruchung an vorgegebenen Positionen kann vorwiegend eine verbesserte Kaltverfestigung in den so beeinflussten Bereichen eines plattenförmigen Halbzeugs vor dem Tiefziehen erreicht werden.If there is an alternating compressive force effect, in particular with alternating bending stress at predetermined positions, improved strain hardening can be achieved in the areas of a plate-shaped semi-finished product that are affected in this way before deep-drawing.
Wie bereits angesprochen, können die jeweiligen vorgegebenen Positionen anhand von Erfahrungswissen, das Personal, das mit der Durchführung von Tiefziehprozessen gewonnen hat, bestimmt werden.As already mentioned, the respective predetermined positions can be determined on the basis of empirical knowledge gained by the personnel who have carried out deep-drawing processes.
Eine Bestimmung der Positionen kann aber auch empirisch mit mehreren Versuchen erfolgen, bei denen die Auswirkung bestimmter Maßnahmen einer lokal definierten Wirkung von Konditionierwerkzeugen berücksichtigt werden kann.However, the positions can also be determined empirically with several tests, in which the effect of specific measures of a locally defined effect of conditioning tools can be taken into account.
Allein oder zusätzlich zu diesen zwei Vorgehensweisen kann aber auch eine Bestimmung mittels Simulationsrechnung erreicht werden. Darauf soll später noch genauer eingegangen werden.A determination by means of simulation calculation can also be achieved alone or in addition to these two procedures. This will be discussed in more detail later.
Wird an den vorgegebenen Positionen eine Biegewechselbeanspruchung durchgeführt, kann diese mit vorgegebener Frequenz, Anzahl und/oder Amplitude durchgeführt werden, um die jeweils gewünschte Dickenveränderung und insbesondere das gewünschte Maß an Kaltverfestigung zu erreichen.If alternating bending stress is carried out at the specified positions, this can be carried out with a specified frequency, number and/or amplitude in order to achieve the respectively desired change in thickness and in particular the desired degree of strain hardening.
Die jeweiligen vorgegebenen Positionen können so bestimmt werden, dass die Positionen diskret zueinander angeordnet sind oder eine Linie einer Kontur bilden. Eine Linie kann dabei Bereiche aufweisen, die konvex und/oder konkav in Bezug zu einem ggf. fiktiven Bezugspunkt, der an einer Seite einer Kontur angeordnet ist, ausgebildet sein. Umschließt eine Linie einen Bereich des plattenförmigen Halbzeugs kann der Flächenschwerpunkt als Bezugspunkt angesehen werden.The respective predefined positions can be determined in such a way that the positions are arranged discretely with respect to one another or form a line of a contour. A line can have areas that are convex and/or concave in relation to a possibly fictitious reference point that is arranged on one side of a contour. If a line encloses an area of the plate-shaped semi-finished product, the centroid can be regarded as a reference point.
Mit einer linienförmigen Kontur kann ein Flächenbereich des jeweiligen plattenförmigen Halbzeugs zumindest teilweise umschlossen sein. Dabei können beispielsweise Unterbrechungen in einer linienförmigen Kontur ausgebildet werden. Erfolgt die Einwirkung von Konditionierwerkzeugen an einzelnen diskret zueinander angeordneten Positionen können punktförmige Deformationen ebenfalls einer entsprechenden Kontur folgend ausgebildet werden, die auch linienförmig angeordnet sein können.A surface area of the respective plate-shaped semi-finished product can be at least partially surrounded by a linear contour. In this case, for example, interruptions can be formed in a linear contour. If conditioning tools act on individual positions that are arranged discretely with respect to one another, punctiform deformations can also be formed following a corresponding contour, which can also be arranged in a line.
Kern der Erfindung stellt das Verfahren zur Erzeugung von lokalen Eigenschaften auf der Blechplatine (Konditionierung) und die dazugehörigen technischen Umsetzungen dar. Die eigentliche Beeinflussung der variablen lokalen Eigenschaften, insbesondere Blechdicke und/oder Kaltverfestigung wird durch lokal definierte Umformung (bevorzugt Wechselbiegen um eine definierte Geometrie) erreicht. Die lokal definierte Umformung an den vorgegebenen Positionen kann mittels alternierender Relativbewegungen zwischen verschiedenen Werkzeugachsen, ähnlich wie im BiDirectionalDrawing erreicht werden. Der Unterschied dazu besteht darin, dass das jeweilige plattenförmige Halbzeug nahezu eben ausgebildet bleiben kann und vor dem Tiefziehen eine annähernd gleiche Geometrie am Umfang (also wenig räumliche Ausdehnung wie bei der Mehrstufenumformung, bei der eine ausgeprägte dreidimensionale Geometrie i.d.R. schon in der ersten Stufe realisiert wird) eingehalten werden kann. Außerdem können Bereiche, in denen eine definierte Eigenschaftsverbesserung erreicht worden ist, unabhängig von der Werkzeuggeometrie der jeweiligen Umformmaschine, z.B. in einer Tiefziehpresse gestaltet werden.The core of the invention is the method for generating local properties on the sheet metal blank (conditioning) and the associated technical implementation. The actual influencing of the variable local properties, in particular sheet thickness and / or strain hardening, is achieved by locally defined forming (preferably alternating bending around a defined geometry ) reached. The locally defined deformation at the specified positions can be achieved by means of alternating relative movements between different tool axes, similar to BiDirectionalDrawing. The difference to this is that the respective plate-shaped semi-finished product can remain almost flat and, before deep-drawing, has approximately the same geometry on the circumference (i.e. little spatial expansion as in multi-stage forming, in which a pronounced three-dimensional geometry is usually already realized in the first stage ) can be met. In addition, areas in which a defined improvement in properties has been achieved can be designed independently of the tool geometry of the respective forming machine, e.g. in a deep-drawing press.
Die Konditionierung des plattenförmigen Halbzeugs kann einerseits außerhalb der Tiefziehpresse in einer separaten Maschine (Konditioniereinheit) erfolgen. Eine Konditioniereinheit kann mit mindestens einem Konditionierwerkzeug, das in mindestens zwei regelbaren Achsen mit kurzem Hub für das Wechselbiegen bewegbar ist, sowie mindestens eine Klemmachse aufweist, gebildet sein. Konditioniereinheiten können beispielsweise nach der Presse für das Schneiden der Außenkontur eines plattenförmigen Halbzeugs oder vor einer Tiefziehpresse positioniert und die plattenförmigen Halbzeuge mit einer entsprechenden Automatisierung durch die Stationen getaktet werden. Dabei können die plattenförmigen Halbzeuge bei Bedarf wahlweise mehrere Konditioniereinheiten durchlaufen oder die Konditionierwerkzeuge an einer Konditioniereinheit während der Konditionierung gewechselt werden.The conditioning of the plate-shaped semi-finished product can take place on the one hand outside the deep-drawing press in a separate machine (conditioning unit). A conditioning unit can be formed with at least one conditioning tool, which can be moved in at least two controllable axes with a short stroke for alternate bending, and has at least one clamping axis. Conditioning units can be positioned, for example, after the press for cutting the outer contour of a plate-shaped semi-finished product or in front of a deep-drawing press and the plate-shaped semi-finished products can be cycled through the stations with a corresponding automation. The plate-shaped semi-finished products can be chosen if required wise pass through several conditioning units or the conditioning tools on a conditioning unit are changed during conditioning.
Andererseits können die lokalen Eigenschaften mithilfe einer Vorstufe in bzw. an einer Tiefziehpresse beeinflusst werden. Eine Vorstufe, die in bzw. an der Tiefziehpresse angeordnet sein kann, sollte ebenfalls zwei zusätzliche regelbare Achsen für das Wechselbiegen aufweisen. Die Klemmung kann ebenfalls separat in der Konditioniereinheit oder mithilfe eines Pressenstößels realisiert werden.On the other hand, the local properties can be influenced using a preliminary stage in or on a deep-drawing press. A preliminary stage, which can be arranged in or on the deep-drawing press, should also have two additional controllable axes for alternating bending. Clamping can also be carried out separately in the conditioning unit or using a press ram.
Im Folgenden werden Möglichkeiten für die Herstellung der geforderten Eigenschaftsverteilung (Konditionierung) an dem jeweiligen plattenförmigen Halbzeug beschrieben. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei Varianten der Konditionierung und der jeweiligen technischen Umsetzung unterscheiden. Die Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Flexibilität und der für die Konditionierung benötigten Zeit.In the following, options for producing the required distribution of properties (conditioning) on the respective sheet-like semi-finished product are described. In principle, two variants of conditioning and the respective technical implementation can be distinguished. The variants essentially differ in terms of their flexibility and the time required for conditioning.
Die Beeinflussung der lokalen Eigenschaften an einem plattenförmigen Halbzeug kann in verschiedenen Varianten erreicht werden, die nachfolgend erläutert werden sollen.The influencing of the local properties of a plate-shaped semi-finished product can be achieved in different ways, which will be explained below.
Variante 1.1: Konditionierung mit ebenem linienförmigen KonditionierwerkzeugVariant 1.1: Conditioning with a flat line-shaped conditioning tool
Zur Beeinflussung der geforderten lokal definierten Eigenschaften wird ein ebenes linienförmiges Konditionierwerkzeug eingesetzt. Das Konditionierwerkzeug besteht bei diesem Beispiel aus zwei Matrizen- und zwei Stempelteilen. Wie beim BiDirectionalDrawing (BDD-Methode) wird das plattenförmige Halbzeug zwischen einer oberen und unteren Matrize, sowie dem oberen und unteren Stempel geklemmt und im Anschluss wird eine Relativbewegung zwischen Matrizen und Stempeln durchgeführt. Durch die Relativbewegung wird an der jeweiligen Kontaktstelle die lokale Eigenschaft (Dicke des plattenförmigen Halbzeugs und/oder Kaltverfestigung) lokal definiert beeinflusst.A flat linear conditioning tool is used to influence the required locally defined properties. In this example, the conditioning tool consists of two die parts and two punch parts. As with BiDirectionalDrawing (BDD method), the plate-shaped semi-finished product is clamped between an upper and lower die and the upper and lower punch, and a relative movement is then carried out between the dies and punches. The local property (thickness of the plate-shaped semi-finished product and/or strain hardening) is influenced in a locally defined manner at the respective contact point by the relative movement.
Der Unterschied zu der beschriebenen BDD-Methode liegt bei dieser Variante in der Geometrie der zwei Stempel und der zwei Matrizen. Da nur an den vorgegebenen Positionen, die bevorzugt linienförmigen Konturen folgen, eine Konditionierung stattfinden soll, kann beispielsweise eine Werkzeuggeometrie ohne durchgehende linienförmige Konturausbildung und Konditionierung genutzt werden.The difference to the BDD method described in this variant lies in the geometry of the two stamps and the two matrices. Since conditioning should only take place at the predetermined positions, which preferably follow linear contours, a tool geometry without continuous linear contour formation and conditioning can be used, for example.
Bei dieser Variante kann sowohl eine separate Konditionierungseinheit, als auch eine als Vorstufe in der Tiefziehpresse integrierte Konditioniereinheit eingesetzt werden.With this variant, both a separate conditioning unit and a conditioning unit integrated as a preliminary stage in the deep-drawing press can be used.
Mit Hilfe dieser Variante kann maximal eine Kontur entlang eines geschlossenen Linienzugs beeinflusst werden. Die Beeinflussung weiterer Konturen, kann mit dieser Variante nur mittels eines zweiten Konditionierungswerkzeugs in einer zweiten Konditioniereinheit oder einer weiteren Konditionierstufe in einem Tiefziehwerkzeug beeinflusst werden. Diese Defizite können mithilfe der im Folgenden beschriebenen Variante 1.2 ausgeglichen werden.With the help of this variant, a maximum of one contour can be influenced along a closed polyline. With this variant, the influencing of further contours can only be influenced by means of a second conditioning tool in a second conditioning unit or a further conditioning stage in a deep-drawing tool. These deficits can be compensated for using variant 1.2 described below.
Variante 1.2: Konditionierung mit (konditionierungs-) konturnahem KonditionierwerkzeugVariant 1.2: Conditioning with (conditioning) near-contour conditioning tool
Diese Variante funktioniert grundsätzlich gleich wie Variante 1.1. Der Unterschied liegt lediglich in der Konditionierwerkzeuggeometrie. Das Konditionierwerkzeug gemäß Variante 1.1 ist auf die Konditionierung einer Eigenschaft entlang maximal eines geschlossenen Linienzugs (Kontur) begrenzt. Mit dieser Variante kann an mehreren Positionen gleichzeitig die jeweils geforderte(n) Eigenschaft(en) beeinflusst werden. Diese Lösung setzt eine dreidimensionale Geometrie des Konditionierwerkzeugs (siehe
Durch das Wechselbiegen um die dreidimensionale Geometrie des Konditionierwerkzeugs können auch lokal definiert Eigenschaften, die zum Beispiel zwei geschlossene Linienzüge einer Kontur enthalten, mithilfe eines Konditionierwerkzeugs beeinflusst werden. Das Konditionierwerkzeug kann wiederum wahlweise in einer Konditioniereinheit außerhalb des Tiefziehwerkzeugs oder als Vorstufe im Tiefziehwerkzeug eingesetzt werden.Alternating bending around the three-dimensional geometry of the conditioning tool can also be used to influence locally defined properties that contain, for example, two closed polylines of a contour using a conditioning tool. The conditioning tool can in turn be used either in a conditioning unit outside of the deep-drawing tool or as a preliminary stage in the deep-drawing tool.
Variante 2: Flexible KonditionierungVariant 2: Flexible conditioning
Diese Variante zeichnet sich durch eine geometrisch sehr flexible Konditionierung außerhalb eines Umformwerkzeugs aus. Eine Konditioniereinheit besteht bei dieser Variante aus einem Konditionierwerkzeug, einer zusätzlichen Möglichkeit zur Positionierung des Konditionierwerkzeugs, beispielhaft mit Tripods umgesetzt, und einer ortsfesten Auflage. Die Tripods positionieren die Konditionierwerkzeuge (oben/unten) hauptsächlich in der x und y Ebene über die Oberfläche eines plattenförmigen Halbzeugs in Bezug zu vorgegebenen Positionen und es wird lokal definiert die jeweilige geforderte Eigenschaft mithilfe einer Wechselbiegebeanspruchung an den jeweiligen Positionen beeinflusst (
Mithilfe einer so beschriebenen Konditioniereinheit ist es möglich, an verschiedenen Positionen eines plattenförmigen Halbzeugs lokal definiert mindestens eine Eigenschaft mit unterschiedlichem Betrag zu beeinflussen. Das hierfür eingesetzte Konditionierwerkzeug besteht, wie bereits die Konditionierwerkzeuge, die bei den Varianten 1.1 und 1.2 eingesetzt werden können, aus zwei Stempel- und zwei Matrizenbauteilen. Die geometrische Flexibilität des Verfahrens kann durch die „punktförmige“ Ausführung der Werkzeugkontaktflächen erreicht werden.With the help of a conditioning unit described in this way, it is possible to influence at least one property with a different amount in a locally defined manner at different positions of a plate-shaped semi-finished product. The conditioning tool used for this consists, like the conditioning tools that can be used in variants 1.1 and 1.2, of two punch and two die components. The geometric flexibility of the process can be achieved through the "punctiform" design of the tool contact surfaces.
Zur Beeinflussung der jeweils geforderten Eigenschaften würde beispielsweise das plattenförmige Halbzeug oder das jeweilige Konditionierwerkzeug an alle mit einem Kreuz markierten Positionen positioniert werden (siehe
Die Eigenschaften der nahezu ebenen plattenförmigen Halbzeuge können gezielt lokal und präzise definiert für das jeweilige durch Umformen/Tiefziehen herzustellende Blechbauteil und dem dazugehörigen Werkstoff angepasst werden. Somit sind die Prozessgrenzen erweiterbar oder die Eigenschaften des Bauteils können gezielt lokal definiert eingestellt werden.The properties of the almost flat, plate-shaped semi-finished products can be adapted locally and precisely defined for the respective sheet metal component to be produced by forming/deep drawing and the associated material. This means that the process limits can be expanded or the properties of the component can be set in a targeted, locally defined manner.
Nachfolgend soll auf mögliche Vorgehensweisen bei der Bestimmung vorgegebener Positionen zur Beeinflussung von mindestens einer Eigenschaft eines tiefgezogenen Blechbauteils näher eingegangen werden.Possible procedures for determining predetermined positions for influencing at least one property of a deep-drawn sheet metal component are to be discussed in more detail below.
Die Erfindung hat das Ziel des lokalen Eigenschaftsdesigns einer Platine als Halbzeug vor einem Umformen/Tiefziehen. Ausgangspunkt ist der Eigenschaftsbedarf entweder für den Umformprozess - Thema A - oder für das fertige Bauteil -Thema B. Die Berechnung der Bereiche mit angepassten Eigenschaften wird abgeleitet aus der numerischen Simulation des Tiefziehens (A) bzw. der Bauteillasten im Gebrauch (B).The aim of the invention is to design the local properties of a blank as a semi-finished product before forming/deep-drawing. The starting point is the property requirement either for the forming process - topic A - or for the finished component - topic B. The calculation of the areas with adapted properties is derived from the numerical simulation of deep drawing (A) or the component loads in use (B).
In der Prozessentwicklung sind verschiedene Konditionierparameter zu bestimmen:
Grundsätzlich kann bei der Durchführung aller Prozessvarianten gleich vorgegangen werden. Es werden initiale lokale Eigenschaften am jeweiligen plattenförmigen Halbzeug definiert, ein Zielkriterium auf Basis der elastisch-plastischen Simulation des Tiefziehens (A) oder der Simulation der zu berücksichtigenden Bauteillasten im Gebrauch (B) definiert und eine Optimierung durchgeführt, bis das Zielkriterium bei der Beeinflussung der jeweiligen Eigenschaft(en) erreicht worden ist. Die Schritte zur Berechnung des Eigenschaftsbedarfs können wie folgt aufgeteilt werden (Schritt 3 wird nur im Fall von Thema (B), wenn auch eine bei einem Betrieb eines umgeformten bzw. tiefgezogenen Blechbauteils auftretende Belastung berücksichtigt werden soll, durchgeführt):
- 1. Initiale Definition der lokalen Eigenschaften innerhalb der Außenkontur eines plattenförmigen Halbzeugs (Konditionierung)
- 2. Durchführung einer Prozesssimulation (Tiefziehen) mit plattenförmigem Halbzeug mit lokalen Eigenschaften (Thema A)
- 3. Durchführung einer Simulation der Bauteillasten im Gebrauch des Blechbauteils (Thema B)
- 4. Ermittlung der Zielgrößen aus den Ergebnissen der Simulation (Thema A) oder (Thema B)
- 5. Abgleich mit vorgegebenen Zielgrößen
- 6. Anpassung der lokalen Eigenschaften innerhalb der Außenkontur eines plattenförmigen Halbzeugs (Konditionierung) auf Basis von Schritt 5
- 7. Wiederholung von Schritt 2
bis 6 bis vorgegebene Zielgröße oder ein Abbruchkriterium erreicht ist
- 1. Initial definition of the local properties within the outer contour of a plate-shaped semi-finished product (conditioning)
- 2. Carrying out a process simulation (deep drawing) with plate-shaped semi-finished products with local properties (topic A)
- 3. Performing a simulation of the part loads in use of the sheet metal part (Topic B)
- 4. Determination of the target values from the results of the simulation (topic A) or (topic B)
- 5. Comparison with specified target values
- 6. Adaptation of the local properties within the outer contour of a plate-shaped semi-finished product (conditioning) based on step 5
- 7. Repeat steps 2 to 6 until the specified target value or a termination criterion is reached
Beispielsweise kann zur Lösung von Thema A lokal, im Bereich eines Hotspots, oder global auf dem gesamten Blechbauteil die Mindestblechdicke nach dem Tiefziehen als Zielgröße definiert werden. Als lokale Eigenschaft kann zum Beispiel die Kaltverfestigung am plattenförmigen Halbzeug definiert werden. Ort und Betrag der Eigenschaftsverteilung am plattenförmigen Halbzeug werden während der Optimierung solange angepasst, bis die Zielgröße auf dem Blechbauteil erfüllt ist. Zur Lösung von Thema B wird gleich vorgegangen. Es werden allerdings lokale oder globale Zielgrößen hinsichtlich der Reaktion auf die zu erwartende Betriebslast vorgegeben. Zum Beispiel können dies die Verformung oder die Spannungsverteilung im Blechbauteil sein.For example, to solve topic A, the minimum sheet thickness after deep-drawing can be defined as a target value locally, in the area of a hotspot, or globally on the entire sheet metal component. For example, strain hardening on the plate-shaped semi-finished product can be defined as a local property. The location and amount of the property distribution on the plate-shaped semi-finished product are adjusted during optimization until the target value on the sheet metal component is met. Proceed in the same way to solve topic B. However, local or global target values are specified with regard to the reaction to the expected operating load. For example, this can be the deformation or the stress distribution in the sheet metal part.
Die Konditionierparameter zur Einstellung der lokal definierten Eigenschaften können beispielsweise mithilfe einer numerischen Simulationsberechnung des Konditionierprozesses und einer Optimierungsschleife bestimmt werden. Dabei gibt das Ergebnis der elastisch-plastischen Simulation die geforderte Eigenschaft auf dem plattenförmigen Halbzeug wider. In einer Optimierung werden die Konditionierparameter solange angepasst, bis die geforderte lokal definierte Eigenschaft unter gewissen Zielen, wie z.B. kürzeste Prozesszeit erreicht worden ist.The conditioning parameters for setting the locally defined properties can be determined, for example, using a numerical simulation calculation of the conditioning process and an optimization loop. The result of the elastic-plastic simulation reflects the required properties on the plate-shaped semi-finished product. In an optimization, the conditioning parameters are adjusted until the required locally defined property has been achieved with certain goals, such as the shortest process time.
Zur Ermittlung des Eigenschaftsbedarfs ist vor allem die Definition der lokalen Eigenschaft(en) an dem plattenförmigen Halbzeug ausschlaggebend. Grundsätzlich kann die zur Prozesssimulation verwendete Diskretisierung (9) des plattenförmigen Halbzeugs mit finiten Elementen (FE) genutzt werden, um die lokal definierten Eigenschaften zu bestimmen (
Die einfachste Möglichkeit die jeweilige Eigenschaft zu definieren besteht darin, jedem Element auf dem plattenförmigen Halbzeug den Betrag der zu bestimmenden Eigenschaft zuzuweisen. Diese Methode hat jedoch zwei Nachteile:
- 1. Die Anzahl an zu bestimmenden Parametern wächst mit der Anzahl der Elemente (pro Element wird ein Parameter benötigt). Die Diskretisierung kleiner Blechbauteile mit geringer Komplexität kann bereits mehrere tausend Elemente umfassen und führt dementsprechend auf Optimierungsprobleme mit einer hohen Anzahl an Parametern.
- 2. Das Ergebnis der Berechnung des Eigenschaftsbedarfs kann Unstetigkeiten der Eigenschaft und lokal hohe Gradienten hinsichtlich der Eigenschaft des plattenförmigen Halbzeugs aufweisen. Es können sich zum Beispiel zwei benachbarte Elemente im Betrag der jeweiligen Eigenschaft maximal unterscheiden. Dieser Zustand ist nicht nur meist physikalisch inkorrekt, sondern auch in der Realität nicht realisierbar, da hinsichtlich der Lokalität Grenzen gesetzt sind.
- 1. The number of parameters to be determined increases with the number of elements (one parameter is required per element). The discretization of small sheet metal components with low complexity can already include several thousand elements and accordingly leads to optimization problems with a large number of parameters.
- 2. The result of the calculation of the property requirement can show discontinuities in the property and locally high gradients with regard to the property of the sheet-like semi-finished product. For example, two adjacent elements can differ at most in the amount of the respective property. This state is not only physically incorrect in most cases, but also cannot be realized in reality, since there are limits with regard to locality.
Eine Möglichkeit die lokalen Eigenschaften (f(x,y)) auf dem plattenförmigen Halbzeug qualitativ zu beschreiben, stellt eine Summe von n Radial-Basis-Functions (RBF) Kernen dar:
Ein RBF-Kern klingt ausgehend von seinem Zentrum (Pi(xσ,i|yσ,i)) in x und y Richtung ab. Der lokale Einflussbereich auf die Eigenschaft in x und y Richtung des jeweiligen Kerns lässt sich mit den Parametern yx,i und yψ,i beeinflussenStarting from its center (P i (x σ,i |y σ,i )), an RBF nucleus decays in the x and y directions. The local area of influence on the property in the x and y direction of the respective core can be influenced with the parameters y x,i and y ψ,i
Für die globale Beschreibung der jeweiligen lokalen Eigenschaft auf dem plattenförmigen Halbzeug können beispielsweise in regelmäßigen Abständen n RBF-Kerne, definiert über die jeweiligen Zentren 10, innerhalb der Außenkontur des plattenförmigen Halbzeugs verteilt (siehe
Während der Optimierung können dann die n Gewichte (wi) für jeden der n Kerne bestimmt werden. Somit lässt sich lokal definiert die jeweilige Eigenschaft für alle (finiten) Elemente 9 für die (FEM) Simulation mit π Parametern beschreiben und die Anzahl der Parameter deutlich reduzieren.Then, during the optimization, the n weights (w i ) can be determined for each of the n cores. Thus, the respective property for all (finite)
Die Konditionierungsparameter für Variante 2 setzen sich konkret wie folgt zusammen:
- • Form der Kontaktflächen
- • Koordinaten (xK und yK) 8 der jeweiligen vorgegebenen Positionen pro Konditioniervorgang
- • Anzahl, Amplitude und Frequenz der Wechselbiegungen pro Konditioniervorgang an bzw. im Bereich der jeweiligen vorgegebenen Positionen
- • Klemmkraft zwischen den oberen und unteren Konditionierwerkzeugelementen pro Konditioniervorgang
- • (Allgemein: Zeitliche Verläufe von Weg und Druckkraft der sich relativ zueinander bewegenden Komponenten pro Konditioniervorgang)
- • Shape of the contact surfaces
- • Coordinates (x K and y K ) 8 of the respective predetermined positions per conditioning process
- • Number, amplitude and frequency of the alternating bends per conditioning process at or in the area of the respective specified positions
- • Clamping force between the upper and lower conditioning tool elements per conditioning operation
- • (General: Temporal courses of path and compressive force of the components moving relative to each other per conditioning process)
Grundsätzlich sollten zur Sicherstellung der Umformbarkeit und Vermeidung von Rissbildung scharfe Übergänge der einzustellenden Eigenschaften vermieden werden. Dementsprechend bieten sich konvexe Oberflächen der Kontaktflächen, wie z.B. eine Halbkugelform, zur Beeinflussung der Eigenschaft(en) an. Die Oberfläche der Kontaktfläche(n) eines Konditionierwerkzeugs kann grundsätzlich aber eine beliebige Form aufweisen.Basically, sharp transitions in the properties to be adjusted should be avoided to ensure formability and avoid cracking. Accordingly, convex surfaces of the contact areas, such as a hemispherical shape, are ideal for influencing the property(s). In principle, however, the surface of the contact surface(s) of a conditioning tool can have any shape.
Für die Koordinaten der jeweiligen vorgegebenen Positionen der Konditioniervorgänge werden alle Zentren der RBF-Kerne verwendet, die ein Gewicht wi > einem definiertem Grenzwert (ε) aufweisen. Die restlichen Konditionierparameter können mithilfe einer elastisch-plastischen Simulation des Konditionierprozesses berechnet werden. Dabei stellt das Ergebnis der Simulation die geforderte Eigenschaft dar. In einer Optimierung können die Konditionierparameter solange angepasst werden, bis die geforderte lokal definierte Eigenschaft unter gewissen Zielen, z.B. kürzeste Prozesszeit, erreicht worden ist.All centers of the RBF cores that have a weight w i > a defined limit value (ε) are used for the coordinates of the respective predetermined positions of the conditioning processes. The remaining conditioning parameters can be calculated using an elastic-plastic simulation of the conditioning process. The result of the simulation represents the required property. In an optimization, the conditioning parameters can be adjusted until the required locally defined property has been achieved with certain goals, eg the shortest process time.
Das Konditionierwerkzeug kann dann in Bezug zur jeweiligen vorgegebenen Position positioniert und mit den ermittelten Konditionierparametern die gewünschte Eigenschaft eingestellt werden, bis die geforderte Konditionierung an einer Kontur erreicht ist.The conditioning tool can then be positioned in relation to the respective predetermined position and the desired property can be set with the determined conditioning parameters until the required conditioning is achieved on a contour.
Mit den Figuren sollen beispielhaft Möglichkeiten zur Durchführung des Verfahrens verdeutlicht werden. Dabei können Merkmale unabhängig vom jeweiligen Beispiel oder Darstellung miteinander kombiniert werden.The figures are intended to illustrate options for carrying out the method by way of example. Features can be combined with each other independently of the respective example or representation.
Dabei zeigen:
-
1 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs, bei dem an vorgegebenen Positionen eine Beeinflussung einer lokalen Eigenschaft erfolgt ist; -
2a ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem entsprechend an Aktivflächen konturierten ebenen Konditionierwerkzeug; -
2b eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem entsprechend an Aktivflächen konturierten ebenen Konditionierwerkzeug; -
3a ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem entsprechend an Aktivflächen dreidimensional konturierten Konditionierwerkzeug; -
3b eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem endsprechend an Aktivflächen dreidimensional konturierten Konditionierwerkzeug; -
3c eine dreidimensionale Darstellung der unteren Hälfte eines dreidimensional konturierten Konditionierwerkzeugs; -
4 eine schematische Darstellung eines Tripods und Schnittdarstellung eines Beispiels eines plattenförmigen Halbzeugs mit einem punktuell wirksamen Konditionierungswerkzeug; -
5 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit vorgegebenen Positionen einer lokalen Eigenschaft und Positionen zur Konditionierung eines plattenförmigen Halbzeugs nach Variante 2; -
6 ein Beispiel eines plattenförmigen Halbzeugs mit vorgegebenen Positionen einer lokalen Eigenschaft mit schematischer, beispielhafter Darstellung einer für die FE erzeugten Diskretisierung und beispielhafter Positionen von RBF-Zentren.
-
1 an example of a plate-shaped semi-finished product in which an influencing of a local property has taken place at predetermined positions; -
2a an example of a plate-shaped semi-finished product with a planar conditioning tool contoured accordingly on active surfaces; -
2 B a sectional view of an example of a plate-shaped semi-finished product with a planar conditioning tool contoured accordingly on active surfaces; -
3a an example of a plate-shaped semi-finished product with a three-dimensionally contoured conditioning tool corresponding to active surfaces; -
3b a sectional view of an example of a plate-shaped semi-finished product with a conditioning tool correspondingly three-dimensionally contoured on active surfaces; -
3c a three-dimensional representation of the lower half of a three-dimensional contoured conditioning tool; -
4 a schematic representation of a tripod and sectional representation of an example of a plate-shaped semi-finished product with a selectively effective conditioning tool; -
5 an example of a plate-shaped semi-finished product with predetermined positions of a local property and positions for conditioning a plate-shaped semi-finished product according to variant 2; -
6 an example of a plate-shaped semi-finished product with predetermined positions of a local property with a schematic, exemplary representation of a discretization generated for the FE and exemplary positions of RBF centers.
In
In den
Das in den
In
Das Konditionierwerkzeug, zwischen welchem das plattenförmige Halbzeug 1 angeordnet ist, ist mit jeweils zwei Stempeln 5.1 und 5.2, die zwischen zwei Matrizen 5.3 und 5.4 angeordnet sind, gebildet. Die Stempel 5.1 und 5.2 weisen jeweils eine konvex in Richtung plattenförmiges Halbzeug 1 ausgebildete dreidimensional geformte Oberfläche als eine Aktivfläche auf, mit denen Druckkräfte auf die jeweilige Oberfläche des plattenförmigen Halbzeugs 1 ausgeübt werden können.The conditioning tool, between which the plate-shaped
In
In
Mit Konditionierwerkzeugen, wie sie in den
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- plattenförmiges Halbzeugplate-shaped semi-finished product
- 2.12.1
- vorgegebene Positionpredetermined position
- 2.22.2
- vorgegebene Positionpredetermined position
- 2.32.3
- Konturcontour
- 2.42.4
- Konturcontour
- 33
- Konditionierwerkzeug nach Variante 1.1 bestehend aus mindestens:Conditioning tool according to variant 1.1 consisting of at least:
- 3.13.1
- StempelRubber stamp
- 3.23.2
- StempelRubber stamp
- 3.33.3
- Matrizedie
- 3.43.4
- Matrizedie
- 44
- Konditionierwerkzeug nach Variante 1.2 bestehend aus mindestens:Conditioning tool according to variant 1.2 consisting of at least:
- 4.14.1
- StempelRubber stamp
- 4.24.2
- StempelRubber stamp
- 4.34.3
- Matrizedie
- 4.44.4
- Matrizedie
- 4.54.5
- Stempelstiftstamp pen
- 4.64.6
- Oberflächenkonturierungsurface contouring
- 55
- Konditionierwerkzeug nach Variante 2 bestehend aus mindestens:Conditioning tool according to variant 2 consisting of at least:
- 5.15.1
- StempelRubber stamp
- 5.25.2
- StempelRubber stamp
- 5.35.3
- Matrizedie
- 5.45.4
- Matrizedie
- 66
- Auflageedition
- 77
- Bewegungseinheitmovement unit
- 88th
- diskrete Positiondiscreet position
- 99
- diskretes Elementdiscrete element
- 1010
- Zentrum RBF-KernCenter RBF core
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102008062850 B4 [0007]DE 102008062850 B4 [0007]
Claims (13)
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