Simulationsbasierte Optimierung der Werkzeug- und Prozessauslegung für die Präzisions-Kaltmassivumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Laufe des Projekts wurde ein Ansatz entwickelt, um auf Basis eines analytischen Modells des Prozessverhaltens eine optimierte Werkzeug- und Prozessauslegung für gebräuchliche Prozessklassen der Kaltmassivumformung zu bestimmen. Dabei werden Wechselwirkungen zwischen Umformprozess, Werkzeugsystem und Presse berücksichtigt. Auf diese Weise wird eine hohe Genauigkeit der umgeformten Bauteile mit geringem Aufwand für das Einrichten der Presse und Nacharbeit am Werkzeug ermöglicht. Der umfassende Ansatz beinhaltet nicht nur die analytische Modellierung des gesamten Prozessverhaltens und eine anschließende Optimierung von Einflussgrößen, sondern im Vorfeld zudem die Entwicklung methodischer Vorgehensweisen zur Bestimmung des Auffederungsverhaltens von Presse und Werkzeugsystem in einer Kombination aus experimenteller Pressenvermessung und FE-Simulation von Werkzeugkomponenten. Darauf aufbauend wurde eine kombinierte FE-Modellierung von Umformprozess und Auffederungscharakteristik mit Hilfe von Federelementen entwickelt. Dieses kombinierte FE-Modell führt zu hoher Simulationsgenauigkeit mit Abweichungen zu den experimentellen Ergebnissen von nur 0,1% gegenüber bis zu 17,7% bei der konventionellen Prozesssimulation. Das durch Variantensimulationen und anschließende Ausgleichsrechnung erzeugte analytische Prozessmodell weist eine hohe Güte mit Bestimmtheitsmaßen größer als 0,999 auf. Ausgehend von dieser analytischen Prozessmodellierung wurden Ansätze zur Verringerung des Simulationsumfangs für die Erzeugung des analytischen Modells erarbeitet. Grundlage bildet dabei die Volumenkonstanz des Werkstücks in Verbindung mit den geometrischen Merkmalen von Werkstück und Werkzeug. Für die untersuchte Prozessklasse Voll-Vorwärts-Fließpressen konnte der erforderliche Simulationsumfang von 81 auf 7 verringert werden. Die Übertragbarkeit des Ansatzes auf weitere Prozessklassen wurde am Napf-Rückwärts-Fließpressen aufgezeigt. Die Ansätze zur Bestimmung der Auffederungscharakteristik und deren kombinierte FE-Modellierung mit dem Umformprozess wurden zunächst an Hand der Prozesse Voll- Vorwärts- und Napf-Rückwärts-Fließpressen entwickelt. In der letzten Projektphase wurde darüber hinaus das Querfließpressen im Schließwerkzeug untersucht, das mit zunehmender Formfüllung einen starken Kraftanstieg aufweist. Die kombinierte FE- Modellierung unter Berücksichtigung der Auffederungscharakteristik ergab auch hier einen deutlichen Zugewinn an Genauigkeit verglichen mit der konventionellen Prozesssimulation. Die grundlegenden Ansätze zur kombinierten Modellierung von Umformprozess und Auffederung wurden ergänzt durch simulationsbasierte Abschätzungen der Gleichgewichtstemperatur des Werkzeugsystems im Dauerbetrieb, um den Einfluss dessen thermischer Ausdehnung auf die Werkstückabmessungen abzuschätzen. Die analytischen Modelle des Prozessverhaltens einschließlich der folgenden Optimierung der Einflussgrößen wurden in der letzten Projektphase erweitert um eine Untersuchung des Einflusses streuender Einflussgrößen auf die Bauteilabmessungen zur Abschätzung erreichbarer Toleranzbereiche. Zudem wurden Spannungen im Werkzeug als Randbedingung einbezogen, so dass die Optimierung der Einflussgrößen stets Werte ergibt, die eine Werkzeugbeanspruchung unterhalb gegebener Grenzen zur Folge hat.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Berechnung der Wechselwirkungen zwischen Umformmaschine und -prozess auf Basis der Integration eines Pressenmodells in die FE-Fließpresssimulation. In: DWM (Hrsg.): Proc.12th Dresdner Werkzeugmaschinen- Fachseminar, (2007), Dresden
Kroiß, T.; Völkl, R.; Engel, U.
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Modeling of Process-Tool-Machine Interactions in Cold Forging. In: Denkena, B. (Hrsg.): Proc. 1st Int. Conf. on Process Machine Interactions (PMI), (2008), Garbsen: PZH, S. 175-182
Kroiß, T.; Völkl, R.; Engel, U.; Geiger, M.
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Process-machine interactions in cold forging – calculation of press / tooling stiffness and its integration into FE process simulation. In: Yang, D.Y. (Hrsg.): Proc. of the 9th International Conference on Technology of Plasticity (ICTP), (2008), Gyeongju, S. 1735-40
Kroiß, T.; Engel, U.; Völkl, R.; Geiger, M.
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FE-Based Modeling of Interactions Between Cold Forging Process, Tooling System and Force Controlled Press. In: Gantar, G. (Hrsg.): ICIT&MPT 2009, Proc. of the 7th Int. Conf. on Industrial Tools and Material Processing Technologies, Oktober 4-7, Ljubljana, Slovenia, (2009), Celje: TECOS, S. 293-300
Kroiß, T.; Engel, U.
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Modeling of the Behavior of a Cold Forging Process Considering the Deflection of Tooling System and Press. In: Proc. 2nd Int. Conf. on Process Machine Interactions (PMI), (2010), ISBN: 978-0-9866331-0-2
Kroiß, T.; Engel, U.; Merklein, M.
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Process Modeling In Cold Forging Considering The Process-Tool-Machine Interactions. In: Barlat, F.; Moon, Y. H.; Lee, M.-G. (Hrsg.): Proc. of the 10th Int. Conf. on Numerical Methods in Industrial Forming Processes; AIP Conference Proceedings 1252, (2010), Melville: American Institute of Physics, S. 312-319
Kroiß, T.; Engel, U.; Merklein, M.
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Simulation-Based Determination of Deflection Characteristic of Tooling System and its Modeling in FE Simulation of Cold Forging Process. In: K. Mori et al. (Hrsg.): steel research international (special edition Metal Forming 2010), 81(2010)9, Weinheim: Wiley-VCH Verlag, S. 318- 321
Kroiß, T.; Engel, U.; Merklein, M.
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Process Modeling and Optimization in Cold Forging Considering Interactions between Process, Tool and Press. 10th International Conference on Technology of Plasticity (ICTP) 2011, Aachen, Germany
Kroiß, T.; Engel, U.; Merklein, M.
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Process Modeling in Cold Forging Considering Process Machine Interactions and Scatter of Influencing Factors. In: Hora, P. (Hrsg.): Proc. 4th Form. Technol. Forum, (2011), Zürich: Institute of Virtual Manufacturing, ETH Zurich, ISBN: 978-3-909386-48-2, S. 129-134
Kroiß, T.
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Comprehensive Approach for Process Modeling and Optimization in Cold Forging Considering Interactions between Process, Tool and Press. In: Journal of Materials Processing Technology, 2012
Kroiß, T.; Engel, U.; Merklein, M.
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Optimization of tool and process design for the cold forging of net-shape parts by simulation. In: Denkena, B.; Hollmann, F. (Hrsg.): Process Machine Interactions. Berlin: Springer Verlag, 2013, S. 419-437
Kroiß, T.; Engel, U.
