DE20122800U1 - Computerlesbares Medium mit Programm zur Erzeugung von Ankonstuktionen von Werkzeugen für Blechformteile - Google Patents

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Abstract

Ein computerlesbares Medium beinhaltend ein Programm, wobei dieses Programm dazu geeignet ist, einen Computer zur Ausführung des folgenden Verfahrens zum Erzeugen von Ankonstruktionen (4) von Werkzeugen für Blechumformteile (2), im Folgenden auch Bauteile (2) genannt, zu bringen:
– Bestimmen von Initialrichtungen (31) von Schnittprofilen (10), Anordnen von Schnittprofilen (10), voneinander beabstandet und unter Verwendung dieser Initialrichtungen (31), entlang des Randes eines Bauteils (3, 8), wobei die Schnittprofile (10) durch skalare Profilparameter parametrisiert und von einem einzigen Geometrietyp zur Beschreibung einer Schnittprofilform sind;
– Erzeugen einer Ankonstruktion (4) durch Verbinden der Schnittprofile (10).

Description

  • 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.

Claims (12)

  1. Ein computerlesbares Medium beinhaltend ein Programm, wobei dieses Programm dazu geeignet ist, einen Computer zur Ausführung des folgenden Verfahrens zum Erzeugen von Ankonstruktionen (4) von Werkzeugen für Blechumformteile (2), im Folgenden auch Bauteile (2) genannt, zu bringen: – Bestimmen von Initialrichtungen (31) von Schnittprofilen (10), Anordnen von Schnittprofilen (10), voneinander beabstandet und unter Verwendung dieser Initialrichtungen (31), entlang des Randes eines Bauteils (3, 8), wobei die Schnittprofile (10) durch skalare Profilparameter parametrisiert und von einem einzigen Geometrietyp zur Beschreibung einer Schnittprofilform sind; – Erzeugen einer Ankonstruktion (4) durch Verbinden der Schnittprofile (10).
  2. Computerlesbares Medium nach Anspruch 1, wobei in dem Verfahren zwischen den Schnittprofilen (10) mindestens ein weiteres Zwischenprofil (10) automatisch erzeugt wird, wobei die Zwischenprofile (10) durch die Profilparameter parametrisiert sind.
  3. Computerlesbares Medium nach Anspruch 2, wobei in dem Verfahren die Zwischenprofile (10) durch Interpolation der Profilparameter und Bildung der Zwischenprofile (10) anhand der interpolierten Profilparameter erzeugt werden.
  4. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren der Geometrietyp der Schnittprofile (10) Geraden und Kreisbögen aufweist.
  5. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren der Geometrietyp der Schnittprofile (10) aus Geraden und Kreisbögen als Grundelementen besteht.
  6. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren ein Schnittprofil (10) basierend auf Profilparametern aus Grundelementen automatisiert aufgebaut wird.
  7. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren der Geometrietyp der Schnittprofile (10) parametrisiert ist durch einen oder mehrere der folgenden Parameter: Bauteilauslauflänge, Flanschlänge, Flanschwinkel, Ziehwulsthöhe, Ziehwulstbreite, Ziehwulstradius, Stufenhöhe, Zargenwinkel, Einlaufradius.
  8. Computerlesbares Medium nach Anspruch 7, wobei in dem Verfahren einer oder mehrere der Parameter den Wert Null aufweisen können.
  9. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren eine Änderung eines Profilparameters zu einer automatischen Änderung eines anderen Profilparameters führt.
  10. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Initialrichtung (31) eines Schnittprofils an bestimmten Punkten (25) durch Minimieren eines Gütekriteriums bestimmt wird.
  11. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren Initialrichtungen (31) von Schnittprofilen (10) am Rand eines Bauteils (3, 8) bestimmt werden, und voneinander beabstandete Schnittprofile (10) mit diesen Initialrichtungen (31) entlang eines Bauteilrandes (3, 8) angeordnet werden.
  12. Computerlesbares Medium nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ankonstruktion (4) eine Ergänzung der Geometrie des Blechumformteiles (2) an seinen Randzonen ist.
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