-
Die
vorliegende Erfindung liegt im Bereich der Auslegung von Ankonstruktionsbereichen
von Werkzeugen für
die Herstellung von Blechumformteilen (Tief-/Streckziehprozesse) und deren Optimierung.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, so wie sie in den Patentansprüchen definiert
ist.
-
Blechumformteile
werden in der Regel durch Tiefziehen hergestellt. Das Halbzeug,
die sogenannten Blechplatinen (Platinen), werden zu diesem Zweck
in mehrteilige Umformwerkzeuge gelegt. Mittels Pressen, in denen
die Umformwerkzeuge eingespannt sind, werden die Teile geformt.
Die Teile werden in der Regel über
mehrere Umformstufen (Ziehen, Nachschlagen, Einstellen, etc.) kombiniert
mit Beschneidschritten aus einer flachen Blechplatine hergestellt.
Bei diesem Prozess stellen die Randbereiche, insbesondere die Ankonstruktionen
problematische Zonen dar: Bei der Auslegung der Werkzeuge für eine Umformstufe
geht es u. a. darum, die entsprechend vorbereitete Bauteilgeometrie,
bzw. bei mehrstufigen Prozessen eine Zwischengeometrie (beides im
folgenden mit Bauteilgeometrie bezeichnet), in den Randzonen durch
eine Ankonstruktion so zu ergänzen,
dass daraus eine Werkzeuggeometrie entsteht, mit welcher die vorgegebene
Bauteilgeometrie so gefertigt werden kann, dass kein Versagen (Risse
und Falten) auftritt und dass andere Qualitätsanforderungen, zum Beispiel
beschränkte
Dickenabnahme, Erreichen einer Minimalstreckung des Bleches, und
fertigungstechnische Restriktionen eingehalten werden.
-
Das
Dimensionieren und Einstellen der Ankonstruktionen stellt heute
eine grosse Problematik dar. Nicht selten vergehen mehrere Monate,
bis ein Werkzeug zufriedenstellend funktioniert. Häufig handelt
es sich um einen iterativen Prozess, der mit viel Ausschussteilen,
Energie- und Ressourcenverbrauch verbunden ist. Die Erzeugung von
Ankonstruktionen erfolgt heute weitgehend manuell und äusserst
zeitaufwendig mittels Computer-Aided-Design-Systemen (CAD). Dabei
werden oftmals Hunderte einzelner Flächen über die Konstruktion von Kurven,
daraus abgeleiteten Trägerflächen und
deren Beschneidung (Trimmen) erzeugt und editiert. Nur schon das
Erstellen einer Ankonstruktion für
ein grösseres
Karosserieteil kann so ohne weiteres mehrere Wochen in Anspruch
nehmen. Diese Vorgehensweise verlangt vom Konstrukteur zudem grosses Fachwissen
in den Bereichen Umformtechnik und CAD.
-
In
letzter Zeit wurden Vorgehensweisen entwickelt und implementiert,
welche erlauben, auf effizientere Weise Ankonstruktionen zu erzeugen.
Diese basieren darauf, dass eine Ankonstruktion über ebene Schnittprofile beschrieben
wird. Die bekannten Schnittprofile sind schwierig zu verbinden,
was zu schlechten Interpolationsdaten für Ankonstruktionsflächen führt. Für die meisten
Werkzeuge reicht zudem eine beschränkte Anzahl von solchen Schnittprofiltypen
aus. Setzt man genügend
solcher ebenen Schnittprofile radial vom Bauteilrand nach aussen gehend
an, so lässt
sich daraus über
eine Interpolation quer zu den Schnittprofilen die Ankonstruktionsfläche mehr
oder weniger automatisch erzeugen. Dabei reicht die Angabe weniger
Schnittprofile aus um dann die Zwischenprofile können daraus die Schnittprofile
interpolieren zu können.
Diese Methode überzeugt
nicht. Durch Variation der Schnittprofile kann die Ankonstruktion
variiert werden. Mit dieser Vorgehensweise kann der Anwender im
Vergleich zu früher bei
der Entwicklung und Änderung
der Ankonstruktion Zeit einsparen. Dir resultierenden Ankonstruktionsflächen sind
immer noch aufgrund ungenügender Interpolationsergebnisse
problematisch. Diese Prozeduren sind Insellösungen ohne Verbindung zu anderen
Bausteinen wie z. B. Simulationsmodulen.
-
Diese
Vorgehensweise weist jedoch die folgenden gravierenden Nachteile
und Probleme auf. Einerseits stellt die Ausglättung des Bauteilrandes ein
grosses Problem dar. Der Rand der Bauteilgeometrie, wo die Ankonstruktion
ansetzen soll, ist meist keine glatte Kurve, sondern besitzt oftmals
scharfwinklige Einsprünge,
Laschen etc. Wenn nun an diesem Rand durchgehend das gleiche Schnittprofil
angesetzt wird, so pflanzen sich diese Einsprünge etc. in die Ankonstruktion
fort, was zu einer extrem unregelmässigen Ankonstruktionsfläche führen kann.
Um dies zu vermeiden, ist der Anwender wiederum gezwungen, an den
Einsprüngen
sehr viele Schnittprofile manuell einzuführen und diese so anzupassen, dass
sie zu einer einigermassen glatten Ankonstruktionsfläche führen. Alternativ
wird versucht, die Einsprünge,
Laschen etc. zuerst mit Hilfe traditioneller CAD-Funktionalität manuell
mit Füllflächen aufzufüllen und
auszugleichen, sodass ein neuer genügend glatter Bauteilrand entsteht,
von welchem aus die Schnittprofile dann angesetzt werden. Beide
Lösungen
sind zeitintensiv und führen
dazu, dass vollautomatisch keine brauchbare Ankonstruktion erzeugt werden
kann. Das letztere ist insbesondere dann ein Nachteil, wenn man über eine
Optimierungsschleife zusammen mit einem Umform-Simulationscode und einem
Gütekriterium
die Ankonstruktion automatisch auslegen bzw. optimieren möchte. Andererseits
ist die Schnittprofilrichtung schwierig automatisch zu bestimmen.
Die Richtungen, in welche die Schnittprofile vom Bauteilrand (bzw.
vom aufgefüllten
Bauteilrand) weg angesetzt werden, bestimmen massgebend die entstehenden
Ankonstruktionsflächen.
Beim Ansetzen der Richtungen senkrecht zum in Ziehrichtung projizierten
Bauteilrand ergeben sich an konkaven Stellen Überschneidungen der Schnittprofile,
was eine Erzeugung der Ankonstruktionsfläche verunmöglicht.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu zeigen,
wie Ankonstruktionsflächen für Umformwerkzeuge
optimiert und unter Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile
rationell und einfach erzeugt werden können.
-
Die
hier offenbarte Erfindung ist eingebettet in den Ablauf der Werkzeugkonstruktion
(Methodenplanung). Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche Reduktion
des herstellungstechnischen Aufwands, indem eine neue computerbasierte
Methodik zum Einsatz kommt. Neben der Möglichkeit, eine Ankonstruktion
wesentlich schneller zu erzeugen und zu variieren, kann dabei auch
ein bestmögliches
Werkzeug über
eine Optimierungsschleife zusammen mit einem Umform-Simulationscode
erzeugt werden. Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Vorgehensweise
zum Erstellen eines parametrisierten Geometrie- und Prozessmodells,
ausgehend von der Bauteilgeometrie, kann vereinfacht mit den folgenden
Schritten zusammengefasst werden: Erstens Bauteilgeometrie vorbereiten;
zweitens Ziehrichtung bestimmen; drittens Fläche zur Ausglättung unregelmässiger Zonen
des Bauteilrandes erzeugen; viertens Blechhalterfläche generieren;
fünftens
Schnittprofilrichtungen bestimmen; sechstens Festlegung von Schnittprofilen
an definierten Stellen; siebtens Interpolation von Zwischenprofilen
unter Verwendung von umformtechnischen Parameter zur Erzeugung der
Ankonstruktionsflächen;
achtens, charakteristische Linien interaktiv anpassen, resp. automatisch ausglätten und
Ankonstruktionsflächen
entsprechend anpassen; neuntens, erzeugen der Stempeldurchgangslinie
als Schnittpunkte der Schnittprofile mit einer Blechhalterfläche und
ausglätten
bzw. modifizieren derselben. Bei Übernahme des Werkzeugmodelles
in die Simulation schliessen folgende Schritte zur Definition des
Prozessmodelles an: Extrahieren der einzelnen Teilwerkzeuge aus
den generierten Geometrien; bestimmen der Platinenberandung oder,
bei inversen Simulationsverfahren, des eingezogenen Blechteilverlaufes;
festlegen des Materials, der Blechdicke und der Walzrichtung; festlegen
der Schmierbedingungen; Definition der Rückhaltevorrichtungen (zum Beispiel
Ziehsicken, Abstandhalter, Blechhalterkraft); festlegen der Werkzeugbewegungen
und eventueller Entlastungsschnitte während der Umformung. Ein iteratives
Vorgehen zwischen mehreren der oben erwähnten Schritten ist bei Bedarf
möglich.
Einzelne Schritte können
auch weggelassen werden.
-
Ein
Werkzeug zum Umformen einer Platine in einer Stufe besteht in der
Regel aus drei Teilen: Einer Matrize, einem Blechhalter und einem
Stempel. Mittels dem Blechhalter, der üblicherweise eine gekrümmte Form
aufweist, wird die Platine vorverformt und in einem Randbereich
der Matrize fixiert. Das eigentliche Tiefziehen erfolgt, indem die
Platine mittels dem Stempel in die Matrize gepresst wird. Die Randbereiche
werden üblicherweise
als Ergänzungsflächen bezeichnet.
Diese werden wiederum in ausserhalb des Stempelbereiches liegenden
Blechhalterflächen
und im Stempelbereich liegende Ankonstruktion unterteilt. Diese
Zonen sind ausschlaggebend für die
Erfüllung
von Qualitätsanforderungen.
Die Ankonstruktion geht in der Regel tangentenstetig in das Bauteil
und in den Blechhalter über
und befindet sich im Wirkbereich der Matrize und des Stempels. Bei Bauteilen
mit grossen Ausschnitten, wie Seitenwandrahmen von Personenwagen,
können
zusätzlich
zur äusseren
Ankonstruktion mehrere innere Ankonstruktionen vorhanden sein.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung geht es um ein Verfahren, welches erlaubt,
ausgehend von der Geometrie eines Bauteils möglichst rasch eine vorzugsweise
parametrisierte Ankonstruktion und, falls gewünscht, darauf basierend ein
parametrisiertes Geometrie- und Prozessmodell für eine Umformsimulation zu
erstellen. Ziel ist es in einem möglichst frühen Entwicklungsstadium, eventuell
schon bei der Konstruktion des Bauteils, mit Hilfe von Umformsimulationen
und unter Berücksichtigung
von Ankonstruktionen Aussagen über
die Umform- und Herstellbarkeit eines Bauteils zu machen. Somit
ist es möglich, erforderliche
Korrekturen frühzeitig
an der Geometrie des Bauteils vorzunehmen. Durch eine bedarfsgerechte
Parametrisierung ist es möglich,
dass die Werkzeuggeometrie (sowie die Ankonstruktion) und der Prozess
mittels weniger, skalarer Parameter variierbar sind. Für eine rasche
Bewertung unterschiedlicher Varianten oder aber auch im Hinblick
auf die automatische Erzeugung einer optimalen Ankonstruktion werden
bei Bedarf eine Optimierungsschleife und/oder ein Umformsimulationscode
und/oder ein Gütekriterium
kombiniert eingesetzt.
-
Für die nachfolgende
Beschreibung der Erfindung wird davon ausgegangen, dass sich die
umformenden Werkzeuge in einer globalen z-Koordinatenrichtung bewegen.
Diese Richtung wird vertikal genannt; Richtungen senkrecht zu dieser
Achse (x, y-Richtungen)
werden als horizontal bezeichnet. Es wir zur Vereinfachung davon
ausgegangen, dass ein Bauteil hinterschnittfrei ist, d. h. die Projektion
in z-Richtung auf eine horizontale Ebene soll, mit Ausnahme von
exakt vertikal verlaufenden Bauteilflächen, eineindeutig sein.
-
Die
vorliegende Erfindung beinhaltet u. a. die Idee, unregelmässige Bereiche
der Bauteilränder
automatisch oder manuell, vorzugsweise nach aussen, d. h. weg von
den Problemzonen, auszuglätten
und den entstehenden Zwischenraum mit optimierten Füllflächen automatisch
aufzufüllen.
Diese ausgeglätteten
Bauteilränder
werden im folgenden Basislinien genannt. Sie lassen sich entweder
manuell vorgeben oder zum Beispiel durch geometrische Glättungsalgorithmen
erzeugen, zum Beispiel durch virtuelles "Abrollen" eines Zylinders mit vertikaler Achse,
entlang des Bauteilrandes; dies definiert die x- und y-Koordinate
der Basislinie; die z-Koordinate wird mit Vorteil durch die Erzeugung
der Füllflächen generiert.
Sinnvolle Füllflächen verlaufen
vorteilhafterweise tangentenstetig in die Bauteilgeometrie hinein.
Solche Flächen
werden zum Beispiel über
geometrische Näherungen,
unter Berücksichtigung C1-Randbedingung
(am Bauteilrand), oder zum Beispiel über eine Finite-Elemente-Schalenlösung mit entsprechenden
Randbedingung am Bauteilrand erzeugt (Vgl. hierzu 2).
-
Die
horizontalen Richtungen der Schnittprofile bestimmen in der Regel,
wie sich ein geometrisches Detail des Bauteils (Feature), das sich
bis zum Bauteilrand erstreckt, auf die Ankonstruktion auswirkt.
Es ist daher vorteilhaft, dass geometrische Details in der Bauteilgeometrie
und ihre Ausläufer
in der Ankonstruktion im wesentlichen dieselbe Richtung aufweisen.
Dies bedingt, dass eine bestimmte Richtung der Schnittprofile erforderlich
ist (Vgl. hierzu 10, 11, 12).
-
In
der vorliegenden Erfindung werden die initialen Richtungen der Schnittprofile
an einem Bauteilrand bevorzugt so bestimmt, dass sie in die Richtung
der minimalen Geometrieänderung
in einer definierten, fiktiven Bauteilrandzone zeigen oder korreliert
mit der Fliessrichtung des Materials sind. Alternative Anordnungen
sind z. B. in konkaven Bereichen möglich, um eine negative Überlappung
zu verhindern. Die fiktive Bauteilrandzone wird hier gedanklich durch
ein fiktives Band entlang des Bauteilrandes (bzw. der Basislinie),
ins Innere des Bauteils liegend, gebildet. Diese Randzone weist
in der Regel eine Breite auf, die z. B. etwa 10-mal der Blechdicke
entspricht. Wie die Richtung der minimalen Geometrieänderung
bestimmt werden kann, ist in 5 dargestellt.
Wenn nötig,
sind Anpassungen der initialen Richtungen möglich, z. B. um nachteiliges Überlappen
von Schnittprofilen in konkaven Bereichen zu vermeiden.
-
Um
die dem Stand der Technik anhaftende Problematik einer Überschneidung
von Schnittprofilen, insbesondere im Bereich konkaver Randstellen eines
Bauteils zu vermeiden, verwendet die Erfindung definierte Schnittprofile.
Diese verlaufen in der Regel nicht in einer Ebene, sondern in einer
gekrümmten
Fläche.
Alternative Anordnungen sind beispielsweise möglich solange keine Überschneidungen
vorliegen. Bevorzugte beispiele von solchen Flächen sind zylindrisch oder
parabolisch verlaufende Flächen,
mit beispielsweise einer vertikaler Ausrichtung. Die Schnittkurven
dieser Profile mit einer horizontalen Ebene sind somit gekrümmte oder
gerade Kurven. Diese Kurven dienen als horizontale Leitlinien für das Schnittprofil.
Der Verlauf der Leitlinien wird über
geometrische Algorithmen (Polynomansätze) bestimmt. Alternativ kann
auch wie folgt vorgegangen werden: Ausgehend vom Bauteilrand werden
die Kurven in einer horizontalen Ebene als Biegebalken angesetzt,
welche in Richtung einer minimalen Geometrieänderung am Bauteilrand fixiert
und quer zueinander mit einem elastischen Kontinuum oder mit Federn
verbunden sind. Ein entsprechendes Modell wird zum Beispiel mit
der Finite-Elemente-Methode (FEM) ins statische Gleichgewicht gebracht.
(Vgl. hierzu 4).
-
Im
Stand der Technik wurde bisher der vertikale Verlauf der Schnittprofile
entweder über
Splinekurven (zum Beispiel B-Splines oder Bézierkurven) oder über geometrische
Grundelemente wie Strecke, Bogen etc., welche kontinuierlich verlaufend
zusammengesetzt sind vorgegeben. Ersteres erlaubt zwar eine bequeme Änderung
eines Schnittprofils, hat aber den Nachteil, dass genaue Dimensionen
oder die genaue Geometrie eines Teilstückes der Kurve, zum Beispiel
eine Wulsthöhe
oder ein Wulstradius, nur sehr schwierig genau vorgegeben werden
können.
Bei der zweiten Spezifikationsart können zwar genaue Dimensionen
bestimmt werden, Änderungen sind
jedoch umständlich,
da die Tangentenbedingung zwischen den Grundelementen immer eingehalten werden
muss. Um Ankonstruktionsflächen
zu erzeugen, mussten zudem die nicht vorgegebenen Schnittprofile
(Zwischenprofile) aus den nächsten
vorgegebenen Schnittprofilen erzeugt werden. Wenn diese vorgegebenen
Schnittprofile stark voneinander abwichen, führte eine automatische Interpolation
im Allgemeinen auf ungenügend
glatte Flächen,
bzw. auf unerwartete und unerwünschte
Zwischenformen. Z. B. wurde ein innerhalb eines Schnittprofils vorgegebener
grosser Kreisbogen nicht notwendigerweise kontinuierlich über Kreisbögen mit
abnehmenden Radien in einen kleineren vorgegebenen Kreisbogen im nächsten vorgegebenen
Schnittprofil überführt, sondern
je nach Interpolation über
nicht kreisförmige Zwischenformen.
Dieses Problem wurde teilweise entschärft, wenn der Anwender in Kauf
genommen hat, dass zwischen unterschiedlichen Schnittprofiltypen
manuelle Übergangselemente
(Junction) zu definieren sind.
-
Die
oben beschriebene Problematik wird bei der hier offenbarten Erfindung
vorzugsweise wie folgt gelöst:
Die Schnittprofile werden bevorzugt durch einen einzigen Geometrietyp
beschrieben, (siehe 9) der genügend allgemein sein muss, um
die gängigen
Schnittprofilformen zu beschreiben. Nebeneinander angeordnete Schnittprofiles
sind einander entsprechend geartet, so dass sichergestellt ist, dass
keine Interpolationsfehler auftreten. Diese Schnittprofile werden
durch vom Anwender einfach zu verstehende umformtechnische, skalare
Grössen parametrisiert
(im folgenden Profilparameter genannt), wie zum Beispiel Bauteilauslauflänge, Bau teilauslaufradius,
Flanschlänge,
Flanschwinkel, Wulsthöhe,
Wulstbreite, Wulstradius, Stufenhöhe, Stufenradius, Zargenwinkel,
Einlaufradius etc. Das Schnittprofil wird dann basierend auf diesen
Profilparametern aus Grundelementen bspw. Kreisbögen und Strecken automatisiert
aufgebaut (Vgl. hierzu 9). Bei inkonsistenten Profilparametern
werden diese nach einer definierten Priorität automatisch angepasst und
optimiert. Auf diese Weise ist ein Schnittprofil äusserst
einfach und klar definiert vorgebbar.
-
Die
Verläufe
der zwischen den definierten Schnittprofilen liegenden Zwischenprofile
werden, im Unterschied zum Stand der Technik, in der Regel nicht
direkt interpoliert. Vielmehr werden zuerst die umformtechnisch
relevanten Profilparameter für
jedes Zwischenprofil ermittelt. Aus diesen (interpolierten) Grössen wird
dann der Verlauf der Zwischenprofile aufgebaut. Dies führt im oben
genannten Beispiel dazu, dass der vorgegebene grosse Kreisbogen über exakte
Kreisbögen
mit abnehmendem Radius in den vorgegebenen kleinen Kreisbogen überführt wird, wenn
der entsprechende Radius ein solcher Profilparameter ist.
-
Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Erzeugung
von Ankonstruktionen wirken sich Höhenunterschiede und Tangentensprünge entlang
des Bauteilrandes bis einer Stempeldurchgangslinie aus. Dies ist
im Allgemeinen unerwünscht.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es daher
erforderlich, diese Sprünge
manuell durch umständliches
und zeitintensives Anpassen der Schnittprofile zu korrigieren. Auch
hier ist eine Automatisierung praktisch unmöglich.
-
Bei
der hier offenbarten Erfindung wird dieses Problem wie folgt gelöst. Schnittprofile
besitzen charakteristische Punkte, die den prinzipiellen Verlauf
des Schnittprofils beschreiben. Als Beispiele für solche charakteristischen
Punkte seien ein Scheitel punkt eines Wulstes, die Flanke einer Stufe
oder die Kontrollpunkte eines Splines, einer Bézier- oder einer NURBS-Kurve
genannt. Die einander entsprechenden charakteristischen Punkte jedes
einzelnen Schnittprofils können
nun miteinander verbunden werden und formen damit (kontinuierliche)
charakteristische Linien, welche sich entlang einer Ankonstruktion
(parallel zu einem Bauteilrand) oder mindestens über Bereiche davon erstrecken,
z. B. die Scheitellinie eines Wulstes (Vgl. 7). Die
so definierten Linien eignen sich speziell, um die Ankonstruktion
interaktiv zu verändern,
indem sie zum Beispiel als über
Kontrollpunkte einfach variierbare Splines angenähert werden. Sowohl Änderungen
in vertikaler Richtung (d. h. zum Beispiel der Höhenverlauf eines Wulstes) als
auch Änderungen
in horizontaler Richtung (d. h. zum Beispiel die horizontale Lage
des Wulstes) können
damit durchgeführt
werden. Die Änderung
beeinflusst gezielt die entsprechenden Parameter der im Bereich
der Änderung
liegenden Schnittprofile und entsprechend die Ankonstruktionsfläche. Da
eine Änderung
einer charakteristischen Linie mehrere nebeneinander liegende Schnittprofile kontrolliert
beeinflusst, ist eine solche Änderung
wesentlich einfacher durchführbar
als durch das (manuelle) Verändern
einzelner Schnittprofile. Wenn die Änderung eines Profilparameters
zu Änderungen
anderer Profilparameter bei den Nachbarschnitten führen soll
(z. B. soll die Änderung
der Wulsthöhe
gleichzeitig eine Änderung
der Wulstbreite bewirken), kann eine entsprechende Wirkverbindung
durch eine Kopplungsmatrix definiert werden. Bei dem hier beschriebenen
Verfahren ist es zudem möglich,
die charakteristischen Linien automatisch zu glätten. Damit lassen sich Geometriesprünge am Bauteilrand einfach
ausglätten
(Vgl. hierzu 18). Als Glättungsalgorithmen
können
zum Beispiel wiederum Abrollalgorithmen verwendet werden, und zwar
sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der Höhe.
-
Das
Konzept der charakteristischen Linien ist auch übertragbar auf Profilparameter,
welche nicht als Raumlinie auf der Ankonstruktion darstellbar sind,
z. B. der Einlaufradius oder ein Wulstradius. Solche Profilparameter
werden vorteilhaft als charakteristische Linien in einem x-y-Diagramm
dargestellt, wobei auf der Abszisse der Weg um die Ankonstruktion
herum und auf der Ordinate der Profilparameter aufgetragen wird.
Die entstehende Kurve kann zum Beispiel wiederum als über Kontrollpunkte
einfach variierbarer Spline angenähert werden. Interaktive oder
automatische Änderungen
(z. B. Glättung)
werden analog zur im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Vorgehensweise
in eine Änderung
der Ankonstruktionsfläche übergeführt. Dieses
Vorgehen ist natürlich
auch alternativ auf die als Raumlinie darstellbaren Profilparameter
anwendbar.
-
Falls
die generierte Werkzeuggeometrie über eine Umformsimulation überprüft werden
soll, oder falls sie in einer Optmierungsschleife zusammen mit einem
Umformsimulationscode und einem Gütekriterium automatisch optimiert
werden soll, so fehlt nun noch die Anbindung an die Umformsimulation.
Für die
Umformsimulation werden in der Regel drei Methoden verwendet.
- – Einschritt-/Mehrschrittsimulationen
basierend auf der Bauteilgeometrie: Diese werden üblicherweise
nach einem inversen Verfahren durchgeführt, wobei von der Bauteilgeometrie
ausgegangen wird, diese flach gedrückt wird und die resultierenden
Dehnungen im flachen Blech im Prinzip invertiert auf das Bauteil
abgebildet werden. Infolge der Vernachlässigung des wichtigen Einflusses der
Ankonstruktion und des Blechhalters stellen solche Simulationen
eine grobe Abschätzung
dar. Hier sind sie irrelevant, da es hier um die Beurteilung einer
Werkzeugkonstruktion geht.
- – Einschritt-/Mehrschrittsimulationen
basierend auf der Werkzeuggeometrie: Üblicherweise nach der gleichen
Methode durchgeführt,
wird hier die Geometrie der Ankonstruktion und des Blechhalters
sowie auch die Rückhaltevorrichtungen
(z. B. Ziehleisten, Blechhalterkraft) im Blechhalter berücksichtigt.
Als Geometrie wird hier diejenige des vollständigen Werkzeuges, also im
Prinzip die Matrize benötigt.
Die resultierende Genauigkeit erlaubt die Beurteilung einer Werkzeugkonstruktion,
allerdings können
keine direkten Aussagen über
das Verhalten des Bleches während
der Umformung gemacht werden. Ein wichtiges Resultat einer inversen
Einschrittsimulation stellt die erforderliche Platinenberandung
dar, welche benötigt wird,
um die Berandung der vorgegebenen Geometrie am Ende des Ziehprozesses
zu erhalten. Einschritt-/Mehrschrittsimulationen können auch als
Vorwärtsmethode,
d. h. ausgehend von der Platine, durchgeführt werden.
- – Inkrementelle
Simulationen basierend auf der Werkzeuggeometrie: Hier wird ausgehend
von der flachen Platine die Umformung in Zeitschritten (inkrementell)
simuliert. Die wesentlichen geometrischen und prozessbedingten Einflussgrössen können genau
mitberücksichtigt
werden. Eine Geometriebeschreibung aller beteiligten Teilwerkzeuge
ist erforderlich, also für
den einfachsten Umformprozess eine Matrize, ein Stempel und ein Blechhalter.
Diese Methode ist die genauste Simulationsmethode, erfordert aber
wesentlich mehr Rechenzeit als ein Einschrittverfahren. Als Resultat
sind neben dem Endzustand auch die Zwischenzustände verfügbar.
-
Für die Überprüfung einer
Werkzeuggeometrie kommen die beiden letzteren Methoden in Frage. Heutige
Systeme zur Werkzeuggenerierung sind jedoch nicht sehr eng an Umformsimulationssysteme angebunden,
so dass zur Durchführung
von Simulationen meist ein erheblicher Aufwand über verschiedene Schnittstellen
und Datenkonversionen betrieben werden muss.
-
Das
oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung von Ankonstruktionsbereichen
ist bevorzugt mit einem System kombinierbar, in welchem ein parametrisiertes
Simulationsmodell (Werkzeug und Prozess) zur Optimierung eines Bauteils
verwendet wird. Wahlweise ist sowohl eine Einschritt/Mehrschritt-
als auch eine inkrementelle Simulation, eventuell mit einem Evaluations-
und/oder einem Optimierungsmodul kombiniert, möglich. Dieses System zeichnet
sich wie folgt aus:
- – Parametrische Erzeugung der
Teilwerkzeuge: Aus den vollständigen
Werkzeugflächen
(Bauteil + Ankonstruktion + Blechhalterring) können sofort die verwendeten
Werkzeuge, z. B. die Matrize (vollständige Werkzeugflächen), der
Stempel (Werkzeugflächen
ohne Blechhalterring und ohne Einlaufradius) und der Blechhalter
(entlang der Stempeldurchgangslinie ausgeschnittene Blechhalterfläche) erzeugt
werden. Eine Offsettierung der Werkzeuge wird, falls gewünscht, automatisch
vorgenommen. Zur Erzeugung des Stempels werden, falls gewünscht, im
Zargenbereich automatisch modifizierte Schnittprofile verwendet (z.
B. mit steilerem Zargenwinkel), um den notwendigen Ziehspalt zu
erzeugen. Gleichzeitig kann auch die für die Simulation erforderliche
Prozessgeschichte, d. h. die Verfahrwege der Werkzeuge, automatisch
erzeugt werden. Eine Änderung
der Ankonstruktion zieht also automatisch die entsprechende Änderung
der Teilwerkzeuge und ihrer Verfahrwege nach sich.
- – Parametrische
Erzeugung des Verlaufes der Ziehleisten: Ziehleisten (zur Kontrolle
des Blecheinzuges eingebrachte Sicken im Blechhalterbereich) werden
automatisch in einem vorgegebenen konstanten oder variablen Abstand
von der Stempeldurchgangslinie oder von einer anderen charakteristischen
Linie der Ankonstruktion auf der Blechhalterfläche erzeugt. Eine Änderung dieser
Linie zieht dann automatisch eine Änderung der Ziehleisten nach
sich.
- – Parametrische
Erzeugung des eingezogenen Blechrandes am Ende der Umformung für die inverse
Simulation: Für
die inverse Simulation, bei welcher man die Geometrie am Ende der
Umformung vorgibt, wird der eingezogene Blechrand ebenfalls automatisch
in einem vorgegebenen konstanten oder variablen Abstand von der
Stempeldurchgangslinie oder von einer anderen charakteristischen
Linie der Ankonstruktion auf der Blechhalterfläche erzeugt. Eine Änderung
dieser Linie zieht dann automatisch eine Änderung des eingezogenen Blechrandes
nach sich.
- – Parametrische
Erzeugung der Platinenberandung: Die Platinenberandung kann analog
zu den oben beschriebenen Ziehleistenverläufen erzeugt werden. Eine zusätzliche
Variante wird im folgenden beschrieben: Für einen möglichst minimalen Materialverbrauch
sollte die Platine möglichst klein
gewählt
werden. Allerdings sollte der Blechrand während der Umformung im Allgemeinen nicht über die
Stempeldurchgangslinie in die Ankonstruktion einlaufen, d. h. es
sollte am Ende des Ziehvorganges überall ein schmaler Flansch
im Blechhalterbereich übrig
bleiben. Deshalb wird hier folgendes Vorgehen gewählt: Zuerst
wird der eingezogene Blechteilrand für eine inverse Einschrittsimulation
wie oben beschrieben erzeugt. Dann wird die inverse Einschrittsimulation
durchgeführt.
Das Resultat dieser Simulation ist die erforderliche Platinenberandung,
welche notwendig ist, um den vorgegebenen eingezogenen Blechteilrand
zu erreichen. Dieses Vorgehen wird zu Anfang einer inkrementellen
Simulation durchgeführt,
um für
die aktuell untersuchte Geometrievariante eine günstige Platinenberandung zu
finden. Dieses Vorgehen ist sinnvoll, da die inverse Einschrittsimulation
wesentlich weniger Rechenzeit benötigt als eine inkrementelle
Simulation. Das Vorgehen ist analog übertragbar auf die inneren Berandungen
bei gelochten Platinen. Um die Werkzeugkosten für das Schnittwerkzeug der Platine
zu sparen, wird üblicherweise
eine einfache, polygonale Platine bevorzugt, z. B. eine rechteckige.
Falls dies gewünscht
ist, wird die aus der inversen Einschrittsimulation erhaltene Platinenberandung
mit einem Rechteck minimaler Länge und
Breite eingefasst, wobei die Orientierung des Rechtecks in der horizontalen
Ebene solange geändert
wird, bis ein Rechteck von minimaler Fläche gefunden ist. Anstelle
der aus der Einschrittsimulation erhaltenen Platinenberandung wird nun
dieses Rechteck als Platinenberandung für die inkrementelle Simulation
verwendet. Analog wird vorgegangen für andere einfache polygonale Berandungen.
-
Jede
parametrische Änderung
der Werkzeugflächen
resultiert damit automatisch in einer Änderung der daraus hergeleiteten
Teilwerkzeuge, ihrer Verfahrwege, des Ziehleistenverlaufs, der Platinenberandungen
etc., sodass die Simulation ohne manuelles Eingreifen erneut gestartet
werden kann. Im Vergleich zum Stand der Technik lässt sich
damit der Aufwand zur Vorbereitung von Variantensimulationen, ob
manuell oder innerhalb einer Optimierungsschleife automatisch ausgeführt, erheblich
reduzieren: Bei Änderung
der Parameter der Werkzeuggeometrie wird sofort und vollautomatisch
eine neue Werkzeuggeometrie und ein zugehöriges konsistentes Geometrie-
und Prozessmodell für
die Simulation erzeugt.
-
Wenn
gewünscht
ist es möglich,
die geometrische Information sowie auf Werkzeuge (Matrize, Blechhalter,
Stempel) und die Platine bezogene Daten, wie sie durch die hier
beschriebene Erfindung verarbeitet und erzeugt werden, als Eingabe
für die Werkzeugherstellung
zu verwenden. In dieser Weise ist es möglich, zusätzliche Bearbeitung durch ein CAD-System
zu vermeiden, was einen weiter optimierten Prozess ergibt.
-
Die
Erfindung wird anhand der folgenden verallgemeinerten und vereinfachten
Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt
die wesentlichen Bereiche eines Umformwerkzeugs;
-
2 zeigt
ein Bauteil;
-
3 zeigt
einen Verlauf von geraden Schnittprofilen;
-
4 zeigt
einen Verlauf von gekrümmten Schnittprofilen;
-
5 zeigt
eine Konstruktionsweise von Initialrichtungen;
-
6 zeigt
eine erste, unstetig verlaufende Ankonstruktion;
-
7 zeigt
eine zweite, stetig verlaufende Ankonstruktion;
-
8 zeigt
ein Diagramm mit den wesentlichen Optimierungsschritten;
-
9 zeigt
ein parametrisiertes Schnittprofil;
-
10 zeigt
ein Bauteil mit einem Ankonstruktionsbereich;
-
11 zeigt
das Bauteil gemäss 10 mit Schnittprofilen;
-
12 zeigt
ein Bauteil mit optimierten Schnittprofilen;
-
13 zeigt
die Interpolation zwischen Schnittprofilen.
-
1 zeigt
die hier wesentlichen Elemente eines Umformwerkzeugs 1.
Zu erkennen sind ein Bauteil 2, ein Bauteilrand 3,
eine Ankonstruktion 4, eine Stempeldurchgangslinie 5 und
eine Blechhalterfläche 6.
-
2 zeigt
ein Bauteil 2 mit einem unregelmässigen Bauteilrand 3.
Die Unregelmässigkeiten
im Verlauf des Bauteilrandes 3 sind mit Füllflächen 7 aufgefüllt und
geglättet.
Vernünftige
Füllflächen 7 müssen C1-kontinuierlich
(Werte der ersten Ableitung auf beiden Seiten identisch) in die
Geometrie des Bauteils 2 übergehen. Solche Flächen 7 lassen sich
zum Beispiel über
geometrische Ansätze
unter C1-Randbedingung
am Bauteilrand 3 erzeugen, oder über eine Finite-Elemente-Schalenlösung mit C1-Randbedingung.
Die sich so ergebende Füllflächen 7 sind
geglättet
und kontinuierlich und ergänzen das
Bauteil 2 in optimaler Weise. Im Be reich einer Füllfläche 7 ist
alternativ ein Rand 8 der Füllfläche 7 für den Verlauf
der Schnittprofile massgebend.
-
3 zeigt
die Situation, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Zu sehen ist eine Draufsicht (in Richtung der z-Achse) eines Ausschnittes
eines Bauteils 2 mit einem konkav verlaufenden Bauteilrand 3.
Gerade Schnittprofile 10, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt sind, sind senkrecht zum Bauteilrand 3 angeordnet.
Aufgrund dieser Anordnung weisen sie Überschneidungen auf.
-
4 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Bauteil 2 gemäss 3. Zu erkennen
sind eine Ankonstruktion 4 und Schnittprofile 10.
Die Schnittprofile sind hier mittels dem erfindungsgemässen Verfahren
erzeugt. Zu erkennen ist, dass sie in der Draufsicht nicht einen
geraden Verlauf aufweisen, sondern gekrümmt sind. Insbesondere weisen
sie hier keine Überschneidungen
auf. Sie sind bevorzugt so angeordnet, dass sie dem natürlichen
Verlauf von geometrischen Details des Bauteils entsprechen. Z. B.
folgen sie deren verlängertem
Verlauf in der Ankonstruktion. Somit spielt der eigentliche Bauteilrand
eine untergeordnete Rolle.
-
5 stellt
schematisch dar wie die horizontale Initialrichtung von einem Schnittprofil 10 erzeugt wird.
Diese Richtung wird mittels der Bestimmung der minimalen Geometrieänderung
besonders vorteilhaft bestimmt. Zu erkennen sind ein Bauteil 2,
ein Bauteilrand 3 (resp. der Rand einer Füllfläche) und
eine Bauteilrandzone 22, die durch den Bauteilrand 3 und eine
innere Begrenzungslinie 23 berandet wird. Um die Initialrichtung
eines Schnittprofils in einem Punkt 25 auf dem Bauteilrand 3,
resp. falls erforderlich auf dem Rand von Füllflächen (nicht näher dargestellt), zu
bestimmen wird eine Schnittkurve 26 zwischen einer vertikal
(parallel zur z-Achse) und durch den Punkt 25 verlaufenden
Ebene 24 gebildet. Die Abweichung dieser Schnittkurve 26 von
einer Geraden 27, dargestellt durch einen schraffierten
Bereich 28, dient als Mass für die Geometrieänderung.
Die Fläche 24 wird
nun so lange durch Drehen um eine durch den Punkt 25 verlaufende,
vertikale Achse 30 variiert (dargestellt durch ein Pfeil 29),
bis die Geometrieänderung
ein gewünschtes
Mass erfüllt.
In der Regel handelt es sich hierbei um ein Minimum. Die Initialrichtung
eines Schnittprofils in einer horizontalen Ebene (x/y-Ebene), die
sich durch die Ebene 24 ergibt, ist schematisch durch ein
Pfeil 31 verdeutlicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin die
Krümmung in
der Bauteilrandzone 22 als Mass zu verwenden. Bei Verwendung
der Krümmung
als Mass für
die Geometrieänderung
wird die Richtung des entsprechenden Schnittprofils mit Vorteil
in Richtung der in eine horizontale Ebene projizierten kleineren
Hauptrichtung eines Krümmungstensors
gelegt.
-
6 zeigt
den typischen Verlauf von charakteristischen Linien 11 in
einer Ankonstruktion 4 eines Form für ein Bauteil 2. Der
Verlauf der charakteristischen Linien 11 ist aufgrund von
starken Höhenunterschieden
und Tangentialsprüngen 12 nachteilhaft
unregelmässig.
-
7 zeigt
einen geglätteten
Verlauf der charakteristischen Linien 11 gemäss 6.
Die Ankonstruktion 4 der Form für ein Bauteil 2 weist
dadurch einen wesentlich günstigere
Ausgestaltung auf. Es werden dadurch bei der Produktion viel bessere
Resultate erreicht.
-
8 zeigt
schematisch die wesentlichen Schritte die für die automatische Erzeugung
von Ankonstruktionen erforderlich sind. Die Ankonstruktion wird
mittels einem sogenannten Optimierer und einem Gütekriterium optimiert.
-
9 zeigt
verallgemeinert einen parametrisierten Querschnitt eines Schnittprofils 10 als
Repräsentanten
für einen
einzigen Geometrietyp. Das Schnittprofil 10 ist mit tels
skalaren umformtechnischen Grössen
(Profilparameter) parametrisiert, wie zum Beispiel Bauteilauslauflänge, Bauteilauslaufradius,
Flanschlänge,
Flanschwinkel, Wulsthöhe, Wulstbreite,
Wulstradius, Stufenhöhe,
Stufenradius, Zangenwinkel, Einlaufradius etc. Das Schnittprofil 10 wird
basierend auf diesen Profilparametern aus Grundelementen wie bspw.
Kreisbögen,
Splines und Strecken vorzugsweise automatisiert aufgebaut. Einer
oder mehrere Parameterwerte können,
wenn nötig,
nahe bei oder gleich Null sein. Entsprechende Punkte werden verbunden
um so Flächen
der Ankonstruktion zu erhalten.
-
10 zeigt
ein geometrisches Detail 13 und dessen Auswirkung auf eine
Ankonstruktion 4. Die horizontalen Richtungen der Schnittprofile
bestimmt in der Regel, wie sich das geometrische Detail 13 des
Bauteils 2 (Feature), das sich bis zum Bauteilrand erstreckt,
auf die Ankonstruktion 4 auswirkt. Es ist daher vorteilhaft,
dass solche geometrischen Details 13 in der Bauteilgeometrie
und ihre Ausläufer 14 in
der Ankonstruktion 4 im wesentlichen dieselbe Richtung
aufweisen (was in dieser Darstellung nicht der Fall ist).
-
11 zeigt
den typischen Verlauf von Schnittprofilen 10 die gemäss den aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren senkrecht zu einem Bauteilrand 3 angeordnet
sind. Dadurch ergibt sich das in 10 dargestellte
Resultat bei dem sich die Ausläufer 14 eines
geometrischen Details 13 in einer ungünstigen Richtung in der Ankonstruktion 4 fortsetzt.
-
12 zeigt
nun eine erfindungsgemässe Anordnung
von Schnittprofilen 10 entlang des Bauteilrandes 3.
Die Schnittprofile 10 sind derart angeordnet, dass dem
natürlichen
Verlauf von geometrischen Details 13 im Bauteil 2 Rechnung
getragen wird. Die Richtung der Ausläufer 14 entspricht
dadurch im Wesentlichen der Richtung des geometrischen Details 13 im
Bereich des Bauteilrandes 3.
-
13 zeigt
in einer vereinfachten, idealisierten Weise einen Teil einer Fläche einer
Ankonstruktion 4 und die Anordnung von Schnittprofilen 10 entsprechend
der 9. Die Schnittprofile sind parametrisiert, so
dass sie sich der Geometrie anpassen. Die Orientierung und der Abstand
zwischen Schnittprofilen sind nicht unbedingt gleich und sind dem
Verlauf der Geometrie angepasst. Die Schnittprofile sind einander
entsprechend aufgebaut. Parameterwerte können null oder nahe bei null
sein, so dass einzelne Abschnitte nicht sichtbar sind. Die Zwischenprofile sind
in diesem Beispiel indirekt interpoliert: Zuerst werden die Parameterwerte
interpoliert, zweitens wird mindestes ein Profil basierend auf diesen
interpolierten Werten erzeugt, und drittens wird die Fläche der
Ankonstruktion aufgebaut, basierend auf diesen Schnittprofilen und,
wenn vorhanden, Zwischenprofilen.