Rechnersimulation des Nachformens von rotationssymetrischen Blechteilen zur Optimierung der Werkzeuggestaltung und Werkstückqualität

Besonders kleine und mittlere Unternehmen als Zulieferbetriebe müssen entsprechend der Markttendenz zu kleineren Stückzahlen schnell auf Angebotsanfragen reagieren können und bei Auftragserteilung ebenso schnell und kostengünstig produzieren.

Entsprechender zeitlicher und finanzieller Spielraum besteht nur in der Produktionsvorbereitungsphase. Um entsprechende Marktvorteile zu erzielen, sind eine genauere Bestimmung der teilspezifischen Werkzeuggeometrie einschließlich der Blechdickenänderung und der notwendigen technologischen Kenngrößen wie Umformkraft, Umformweg zur Produktion eines qualitätsgerechten Werkstückes Voraussetzung. Bei der Ermittlung der Blechdickenabnahme versagen im allg. die elementaren Theorien, obwohl diese Kenngröße entscheidend für den späteren Einsatz des Bauteiles ist. Die geforderten Blechdickenabnahmen können durch das Simulationssystem in einer Phase der Produktion überprüft werden, in der noch kostengünstige Änderungen möglich sind.

Durch die angestrebten Ergebnisse wird es möglich, besonders für kleine und mittlere Unternehmen in einer frühen Phase der Produktion ohne eine Vielzahl kosten- und zeitintensiver Versuche eine für das jeweilige Werkstück optimierte Gestaltung der Werkzeuggeometrie und der Stufenfolge sowie der technologischen Einstellgrößen zu erhalten. Dabei wird die genauere Geometrie und die Maße der Werkstücke nicht durch hohe Kräfte, die entsprechende Maschinen erfordern, sondern durch Neugestaltung der Werkzeuge erzielt.
Diese aus der Simulation gewonnenen Vorgaben bilden die Grundlage für den Werkzeugbau und die Einrichtung der Maschinen.

Dies führt zu einer Verkürzung der Produktionsanlaufphase und zu einer Erhöhung des Nutzungsgrades der investitionsintensiven Fertigungseinrichtungen und sichert vor allem klein- und mittelständischen Unternehmen eine größere Effizienz und Marktfähigkeit Weiterhin können durch die berechneten Spannungen und Dehnungen Aussagen zur beanspruchungsgerechten Auslegung des Teiles und zu Produkteigenschaften gewonnen werden. Mit dem Simulationsprogramm kann im Zusammenwirken zwischen Teilekonstrukteur, Werkzeugkonstrukteur und Fertiger ein beanspruchungsgerecht konstruiertes, rotationssymmetrisches Werkstück mit darauf abgestimmter Werkzeuggeometrie und Stufenfolge mit dazugehörigen technologischen Daten in kürzerer Zeit hergestellt werden. Potentielle Anwender sind blechverarbeitende Betriebe, die rotationssymmetrische Teile im Produktionssortiment führen (z.B. Radnaben, Kupplungsteile, Bremstrommeln, beliebige Tiefziehteile und Werkzeugbaubetriebe).

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Untersuchungen zur Rechnersimulation des Nachformens von rotationssymmetrischen Blechteilen angestellt. Dabei wurde auf experimentellem und numerischem Wege die Werkstückqualität durch Variation der Werkzeuggestaltung optimiert.
ln der ersten Phase der Bearbeitung des Forschungsthemas wurden Untersuchungen theoretischer und experimenteller Art in Bezug auf die Ermittlung von Eingangsdaten für Berechnung und Simulation angestellt. Dies betrifft die unterschiedlichen einsetzbaren Verfahren sowie die mathematische Ermittlung der Fließkurvenparameter.
Weiterhin wurden Untersuchungen zur Ermittlung des E -Moduls durchgeführt.

Diese Untersuchungen erfolgten mit alternativen Methoden, wobei neue Erkenntnisse gewonnen werden konnten. Parallel dazu erfolgte die Erarbeitung einer Werkstoffdatei.
Zur Approximation der Fließkurven wurde ein eigenes Programm erarbeitet und zusammen mit der Werkstoffdatenbank weiterentwickelt.
Parallel dazu wurde nach Erarbeitung einer Konzeption ein Preprozessor für das Simulationssystem erstellt und in mehreren Varianten umgesetzt. Nach Testung der unterschiedlichen Varianten erfolgte die endgültige Fertigstellung des Preprozessors.
Dieser Preprozessor befindet sich im industriellen Einsatz.

Um die Treffsicherheit des Simulationssystems darzustellen und zu testen, wurden in einer weiteren Phase Simulationsrechnungen an Beispielteilen durchgeführt. Die Überprüfung des Programmsystems erfolgte durch vergleichende Experimente an rotationssymmetrischen Werkstücken. Bei den Rechnungen sind vorrangig Untersuchungen zur Variation der Werkzeuggeometrie und deren Auswirkung auf das Umformergebnis durchgeführt worden.
Dabei wurden einstufige und mehrstufige Nachformvorgänge simuliert und experimentell überprüft. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und den experimentellen Ergebnissen.