Erhöhung der Prozess- und Qualitätssicherheit beim Prägen dicker Bleche

Die Aufgabe des Forschungsthemas bestand darin, Methoden wie die statistische Versuchsplanung, die numerische Simulation und die Visioplastizität auf die Untersuchung der Prozeß- und Qualitätssicherheit beim Prägen dicker Bleche anzuwenden und auf ihre Eignung hin zu untersuchen.

Ausgehend von der zu untersuchenden einfachen Teilegeometrie wurden für die Grundformgebung sowie für das Nachprägen je ein Versuchswerkzeug konstruiert und gebaut. Dabei wurde das Baukastenprinzip bei der Konstruktion der Aktivelemente eingesetzt. Parallel dazu wurde ein Versuchsstand mit einem rechnergestützten Meßwerterfassungssystem zur Prozeßanalyse aufgebaut.

Nach Aufstellung von Versuchsplänen unter Einbeziehung von Methoden der statistischen Versuchsplanung wurden die Experimente durchgeführt und ausgewertet.
Parallel dazu erfolgte die Erarbeitung und Implementierung eines Simulationsystemes in die Bearbeitung des Forschungsthemas. ln umfangreichen mechanischen Untersuchungen wurden die Werkstoffkennwerte der Versuchswerkstoffe und die Koeffizienten der Fließkurve als Voraussetzung für die Simulation und die Versuchsauswertung ermittelt. Das Simulationssystem ist durch entsprechende Versuche in der Richtigkeit der Modellbildung bestätigt worden. Die experimentellen Ergebnisse wurden ausgewertet sowie mit dem Simulationsystem verglichen und theoretische Grundlagen erarbeitet. Der Werkstofffluß wurde mit Methoden der Visioplastizität sichtbar gemacht. Im Ergebnis stehen Lösungsmöglichkeiten theoretischer Art und basierend auf experimentellen Daten zur Verfügung.

Die Herstellung der Grundform der Werkstücke erfolgte durch Tiefziehen mit und vorrangig ohne Niederhalter mit radienförmigen und traktrixförmigen Ziehringen. Das Tiefziehen erfolgte in Annäherung an den nachfolgenden Nachprägevorgang in das geschlossene Gesenk. Dabei wurden für den Tiefziehstempel größere Radien und für den Boden der Matrize kleinere Radien eingesetzt als beim Nachprägevorgang.

Diese Tiefzieh- und Nachprägeteile wurden auf einer 3D-Meßmaschine bzw. auf einer HURON-Fräsmaschine mit Digitalisiereinrichtung abgetastet und maßlieh (im Radialschnitt) vollständig erfaßt. Diese Meßdaten lieferten die Basis für den Geometrievergleich zwischen Tiefzieh- und Nachformvorgang und stellten auch als Profilformabweichung die Zielgröße des Prozesses dar. Die Profilformabweichung als Zielgröße wurde in einem separaten Programm berechnet und stellt die direkte Abweichung zwischen der Soll-kontur und der Ist-kontur dar. Auf diese Zielgröße wurden die Auswertungen bezogen.

Nach der Auswertung der Versuche in Bezug auf die Ermittlung der Zusammenhänge zwischen den technologischen Größen (Umformkraft und Druckberührdauer) mit der erzielten Geometrie konnten direkte Zusammenhänge und Wechselwirkungen nachgewiesen werden. Dies erstreckt sich auf die Beeinflussung der Geometrie einerseits durch die Kraft, andererseits durch die Druckberührzeit sowie auf die Wirkung beider Einflüsse gleichzeitig. Es wurden grundlegende Zusammenhänge aus der Literatur bestätigt, weiterführende Untersuchungen mit anderen Parametern durchgeführt und Wechselwirkungen bzw. komplexe Wirkungen mehrerer Größen untersucht.

Unter Einbeziehung der Methoden der statistischen Versuchsplanung und Auswertung und durch Regressionsrechnungen konnte das Lösungsfeld ermittelt und eingeschränkt und grundlegende Zusammenhänge zwischen den Einflußparametern festgestellt werden. Dies bezog sich auf den Einfluß von Geometrie der Werkzeuge (Ziehringradius, Stempelradius) und der Werkstücke (Rondendurchmesser).

Es konnten praktikable Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Das ist einerseits die Durchführung von Regressionsrechnungen mit beliebigen durchgeführten Versuchen und andererseits der Einsatz der Statistik in der Versuchsplanung und Auswertung.

Dies ermöglicht die Erkenntnisfindung mit einer geringstmöglichen Anzahl von Versuchen.
Dem Anwender stehen, ausgehend von Versuchen, mehrere Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung: Versuche werden im allgemeinen durchgeführt, um neue Erfahrungen zu gewinnen, d.h. es liegt unvollständiges Wissen über das Problem vor. Es werden rastversuche zur Erfassung des Lösungsfeldes und zur Ermittlung grundlegender Zusammenhänge vorgenommen. Weiterhin werden Versuche durchgeführt, um vorhandene Erfahrungen zu überprüfen und auf andere, ähnliche Fälle anzuwenden (Extrapolationsversuche).

Um gemachte Erfahrungen zu bestätigen, sind ebenfalls Versuche notwendig, d.h. für ein vorliegendes Problem werden zur Sicherheit Versuche wiederholt, um auszuschließen, daß die Erfahrungen eventuell auf falschen Versuchen beruhen.

Ausgehend von diesen Versuchen (und Anlässen für Versuche) bestehen mehrere Möglichkeiten, die Ergebnisse auszuwerten. Man kommt im einfachsten Fall zu empirischen Werten, d.h. die Versuche werden grob ausgewertet und aus Zeitgründen wird sofort entschieden, welche Parameter einzustellen sind. Eine gezielte Suche nach einem Optimum wird nicht durchgeführt, aus der Analyse von Tendenzen werden Einstellwerte festgelegt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Versuchsdaten einer mathematischen Auswertung zu unterziehen, d.h. die Daten bilden die Grundlage für Funktionen, die mittels Regression ermittelt werden. Mit den berechneten funktionalen Zusammenhängen können sichere Aussagen über die Einflußgrößen getroffen werden.

Unter Verwendung von Methoden der statistischen Versuchsplanung werden vor Beginn der Versuche, wieder ausgehend von Erfahrungen je nach Anlaß, Versuchspläne festgelegt, die mit einem Minimum an Versuchen ein Maximum an Informationen liefern können. Dabei werden gleichzeitig mehrere Einflußparameter variiert, um die Versuchszahl zu minimieren und um Wechselwirkungen zu erkennen. Diese komplexen Zusammenhänge sind nur mit mathematischen Methoden der Statistik zu erfassen. Nach Auswertung steht ein optimierter Versuchsraum zur Verfügung.

Es stehen nicht nur funktionale Zusammenhänge zwischen einer Zielgröße und einer Einflußgröße zur Verfügung, wie es nur bei einer einfachen Regression möglich ist, sondern komplexe Zustandsflächen, die mehrere Einflußgrößen gleichzeitig darstellen (Bild 48 rechts).

Eine übergreifende Lösungsmöglichkeit stellt der Einsatz der numerischen Simulation dar. Dort können die für eine determinierte Dickblechumformung notwendigen Daten, wie z.B. die Nachprägekraft geliefert werden. Es besteht die Möglichkeit, für beliebige Geometrien, Umformvorgänge und Werkstoffe eine Lösung bereitzustellen.