Im Bereich der Umformtechnik leisten Simulationsmodelle in allen Phasen der Lebenszyklen von Werkzeug und Maschine Unterstützung beispielsweise bei der Auslegung von Bauteilen und Baugruppen, der Bewertung des Maschinenverhaltens oder von Prozessergebnissen oder auch zur Bestimmung von Prozess- und Antriebsparametern. Dennoch kommen heute bei der Simulation des Umformprozesses Methoden zur Berücksichtigung des ganzheitlichen Systemverhaltens nur unzureichend zur Anwendung, wodurch die Auswirkungen der Interaktion zwischen Prozess und Maschine bei der Optimierung von Systemen, Komponenten und Stellgrößen noch immer weitgehend vernachlässigt werden.
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Erweiterung der Methoden der Systemsimulation, um fehlerhaften Vorhersagen bei der Auslegung, Entwicklung und dem Betrieb von Maschinen und Werkzeugen der Blechumformung entgegenzuwirken. Am Beispiel einer hydraulischen Presse werden Möglichkeiten zur prozessbezogenen energetischen Optimierung von Antriebssystemen durch die Integration von messdatenbasierten Verlustmodellen im Maschinenmodell und zur Bestimmung von Ziehkissenkraftsollwerten anhand einer gekoppelten Simulation von Maschine und Prozess entwickelt.:I Inhaltsverzeichnis I
II Formelzeichen und Abkürzungen IV
II.1 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
II.2 Griechische Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
II.3 Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 3
2.1 Herstellung von Blechumformteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Methodenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Lebenszyklus von Umformwerkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Pressmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Produktprozess Tiefziehpresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Typen und Bauformen von Einzelpressen . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Systeme zur Bereitstellung der Niederhalterkraft . . . . . . . . . . 9
2.3 Tiefziehpressen mit hydraulischen Antrieben . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Stößelantrieb durch Verdrängersteuerung . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Hydraulische Ziehkissenantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Pressenkenngrößen und Genauigkeitsverhalten in Pressensystemen . . . 14
2.4.1 Genauigkeitskenngrößen der Tiefziehpresse . . . . . . . . . . . . 15
2.4.2 Genauigkeit hydraulischer Zieheinrichtungen in einfachwirkenden
Pressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Energetische Analyse und Optimierung von Pressmaschinen . . . . . . . 17
2.6 Wechselwirkungen zwischen Maschine, Werkzeug und Prozess . . . . . . 18
2.7 Wirtschaftlichkeit beim Tiefziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.8 Simulationsmethoden im Umfeld der Blechumformung . . . . . . . . . . . 22
2.9 Das virtuelle Werkstück . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.10 Das virtuelle Werkzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.10.1 Prozessmodell mit der Methode der finiten Elemente . . . . . . . . 25
2.10.2 Elastische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.10.3 Elastische Modellerweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.11 Die virtuelle Presse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.11.1 FE-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.11.2 Mehrkörpersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.11.3 Mixed-Model-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.12 Der virtuelle Umformprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.12.1 Kopplungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.12.2 Black-Box-Ersatzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.12.3 Dynamische Modell-Reduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.12.4 Model-Code-Migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.12.5 Gekoppelte Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.13 Zusammenfassung und Defizite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Zielstellung und Vorgehensweise 42
4 Einordnung der Simulationsmethoden in den Produktprozess hydraulischer
Pressen 44
5 Versuchsumgebung 48
5.1 Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.1 Tiefziehpresse Röcher RZP250 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.2 Servomechanische Spindelpresse Dunkes ES 4 - 160/120 . . . . . 49
5.2 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.1 Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.2 Messgrößen im Versuchswerkzeug Rechteckwanne . . . . . . . . 51
5.3.3 Messgrößen an der Demonstratormaschine . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.4 Messgrößen zur Bewertung simulierter und realer Bauteile . . . . . 52
5.4 Simulations- und Entwicklungsumgebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6 Energetische Bewertung und Optimierung hydraulischer Pressenantriebe 55
6.1 Verdrängersteuerung als Haupt- und Ziehkissenantrieb in Pressen . . . . 55
6.2 Verluste in Verdrängersteuerungseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.1 Bewertungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2.2 Messkonzept am Stößelantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2.3 Messergebnisse der MPE des Stößelantriebs . . . . . . . . . . . . 60
6.2.4 Messmethode und -aufbau an den Ziehkissenantrieben . . . . . . 62
6.2.5 Messergebnisse am Ziehkissenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.3 Beschreibung von Messdaten für die Integration in MMS Modellen . . . . . 64
6.3.1 mehrdimensionale Kennfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3.2 Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.3 Two-Line Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3.4 Vergleich und Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4 Wirkungsgradoptimierte Steuerung hydraulischer Verdrängerantriebe . . . 69
6.5 Integration von Verlustmodellen in die virtuelle Presse . . . . . . . . . . . 70
6.5.1 Verlustmodelle des Stößelantriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.5.2 Verlustmodell des Ziehkissenantriebes . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.5.3 Verlustbehaftetes Modell des Stößelantriebes . . . . . . . . . . . . 75
6.5.4 Einachsiges Modell der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.5.5 Abbildungsgenauigkeit des Maschinenmodells . . . . . . . . . . . 78
6.6 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.6.1 Auswirkung der Antriebssteuerung auf den Energieverbrauch von
MPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.6.2 Bewertung des Energieverbrauchs von Produktionszyklen . . . . . 82
6.7 Methode zur Auslegung und Bewertung von Verdrängersteuerungsantrieben
in Pressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7 Bestimmung von Sollkräften hydraulischer Mehrpunktzieheinrichtungen 89
7.1 Regelgenauigkeit hydraulischer Ziehkissen . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 Prozessbeeinflussende Maschineneigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2.1 Elastisches Verhalten der Demonstratormaschinen bei statischer
Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2.2 Regelgenauigkeit der Ziehkissenantriebe mit Ventilsteuerung . . . 94
7.3 Methoden zur Realisierung des virtuellen Umformprozesses . . . . . . . . 96
7.3.1 Kopplungstechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3.2 Kopplungstopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4 Untersuchung von Methoden Umsetzung des virtuellen Umformprozesses 98
7.4.1 Eingesetzte Modelle für die Methodenuntersuchung . . . . . . . . 99
7.4.2 Umsetzung der gekoppelten Simulation . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4.3 Umsetzung der Modell-Code-Migration . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4.4 Stabilität der gekoppelten Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.4.5 Abbildungsgenauigkeit der Model-Code-Migration . . . . . . . . . . 110
7.4.6 Vergleich und Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.5 Modellbildung für die gekoppelte Simulation räumlicher Modelle . . . . . . 113
7.5.1 Kippelastisches FE-Modell des Tiefziehprozesses . . . . . . . . . 113
7.5.2 Modell der Maschine mit räumlicher Abbildung des Ziehkissens . . 114
7.5.3 Gesamtsystemmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.5.4 Abbildungsgenauigkeit des Gesamtsystemmodells . . . . . . . . . 116
7.6 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.6.1 Auswirkungen von Reglereinstellungen auf das Bauteil . . . . . . . 118
7.6.2 Bauteiloptimierung durch differenzierte Zylinderkräfte an Mehrpunktziehkissen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.7 Bestimmung von Sollwerten für hydraulische Mehrpunktziehkissen bei hohen
Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Zusammenfassung und Ausblick 126
III Literatur 128
IV Anhang 139
IV.1 Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
IV.2 Polynome und Parameter der Regressionsmodelle des Stößelantriebes . . 140
IV.2.1 Wirkungsgradmodell des Asynchronmotors . . . . . . . . . . . . . 140
IV.2.2 Wirkungsgradmodelle der MPE und der Pumpe . . . . . . . . . . . 140
IV.3 Nutzerdefiniertes Materialmodell Servo-Spindel-Antriebe . . . . . . . . . . 141
IV.3.1 servomechanische Spindelpresse: Modellgleichungen Stößelachse
mit Lageregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
IV.3.2 servomechanische Spindelpresse: Modellgleichungen Ziehkissenachse
mit Kraftregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:79029 |
| Date | 03 May 2022 |
| Creators | Schenke, Christer-Clifford |
| Contributors | Ihlenfeldt, Steffen, Behrens, Bernd-Arno, Weber, Jürgen, Technische Universität Dresden |
| Publisher | Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-726038, qucosa:72603 |
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