DE102008047848A1

DE102008047848A1 - Verfahren zum gezielten Beeinflussen des Blechdickenverlaufs und der Verfestigung von Bereichen eines Tiefzieh- oder Streckziehteiles

Info

Publication number: DE102008047848A1
Application number: DE200810047848
Authority: DE
Inventors: Gerd Reitter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Verfahren und Programm zum Steuern einer Hauptachse (22) welche einen Tiefziehstempel (32) zum Tiefziehen einer Platine (7) antreibt, und zum Steuern des Weges (23) einer Prägeachse (35) welche einen Prägestempel (33) zum Prägen des Innenbereiches (14) des Umformgutes (1) antreibt dadurch gekennzeichnet, dass der Weg (22) der Tiefziehachse (34) oder der Weg (23) der Prägeachse (35) aufgrund der Formänderung des Ziehteilbodens (80) und der Formänderung der gesamten Hauptform (70) oder einer Teilfläche (2), (3) der Hauptform (70) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Das Tiefziehen stellt eine rationelle Fertigungsmethode zur Herstellung von Hohlkörpern dar. Hierbei wird eine Blechplatine fest eingespannt und durch Erzeugung einer Relativbewegung von Tiefziehstempel und Tiefziehmatrize zu einem Hohlkörper umgeformt. Hohlkörper dieser Art können sein: Bierfass, Gasflasche, Spüle, Gastronormbehälter, Automobilteile u. s. w.
Nachteilig beim Tiefziehen ist, dass im Bodenbereich des Hohlkörpers keine oder eine sehr geringe Dehnung der Blechdicke vorherrscht. Korrelierend ist die Verfestigung in diesem Bereich sehr gering.
Bekannte Möglichkeiten den Dehnungsverlauf im Bodenbereich zu beeinflussen sind zum Beispiel eine besondere geometrische Gestaltung des Bodens. Des Weiteren kann durch einen gezielten Reibungsparameter der Oberfläche des Stempels zur Blechoberfläche der Blechfluss und damit die Zielgrößen beeinflusst werden.
Weiterhin sind Verfahren bekannt bei denen in mehreren Arbeitsgängen im Folgeverbund der Zielbereich der Bodenfläche zunächst vorgeformt werden.
Es ist nun ein Verfahren bekannt bei dem durch mehrfaches Wölben (Deformieren) (20) und Rückwölbens (Reformieren) (30) des Ziehteilbodens (7) eine entstehende Oberflächenvergrößerung im Boden eintritt. Diese Oberflächenvergrößerung wird verfahrensbedingt während des Reformierens (30) des Ziehteilbodens durch Überlagerung von Zugspannungen in die Blechteilzarge (25) überführt, wodurch

– die Einsatzplatine verkleinert werden kann
– die Zargenhöhe gesteigert werden kann oder
– die Festigkeit im Boden gesteigert werden kann.

Ein Arbeitszyklus besteht aus Deformieren (20) und Reformieren (30) und wird als Penetration des Ziehteilbodens bezeichnet. Das Ziehverfahren nennt sich „Penetrations-Tiefziehen”.
Der Ziehteilboden (7) kann einmalig oder mehrmalig während eines Tiefzuges penetriert werden.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren nun, dass die erforderlichen Steuerprogramme für die Bewegungskinematik sehr aufwändig in einem heuristischen Verfahren ermittelt werden müssen. Dies reduziert den Einsatzbereich des Prozesses, da bei einer Geometrieänderung zunächst ein neues Programm zur Steuerung des Ablaufs programmiert werden muss.
Nachteilig ist zudem, dass die entstehende gemittelte Zargendehnung und hiermit die Zargenverfestigung bisher nicht auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Wird zudem die Tiefziehachse nicht optimal nachgesteuert, so verbleiben entweder Materialanteile ungenutzt oder der Prozess wird insgesamt undurchführbar. Ziel ist es somit einen Programmablauf zu erstellen, mit dem die gewünschten Dehnwerte gesteuert oder geregelt werden können.
Bisher ist noch nicht bekannt wie der Prozess zu steuern ist, so dass eine gewünschte Dehnung im Bodenbereich (2) oder im Zargenbereich (3) eingestellt wird. Die bisherigen Algorithmen beschränken sich darauf, eine erhoffte Bodendehnung vorzugeben, diese dann durch die Dehnung pro Penetration zu dividieren wodurch man die Anzahl an Penetrationszyklen erhält. Die Ziehtiefe der Hauptform wird dann durch die errechnete Anzahl an Penetrationen dividiert wodurch sich der Bewegungszyklus errechnet. Leider hat sich diese Vorgehensweise nicht bewährt, sodass heuristische Verfahren zur Anwendung kommen.
Aufgabenstellung
Nachfolgendes Verfahren und Programm erlaubt eine einstellbare Dehnung in den beteiligten Blechzonen, was zu einer einstellbaren Verfestigung des Ziehteiles führt. Werden die Dehnwerte am Ziehteil gleich verteilt, so kann das Dehnvermögen insgesamt maximal genutzt werden, sodass eine höhere Ziehtiefe erreicht werden kann.
Die Entwicklung besteht nun darin, ein Verfahrensablaufprogramm bereit zu stellen, mit dem die Bewegungskinematik der beteiligten Achsen augrund weniger Parameter bestimmt werden können. Der Bediener gibt lediglich vor, welche Ziehtiefe gewünscht ist und wie die Dehnungsverhältnisse im Ziehteilboden und in der Ziehteilzarge gewünscht sind. Das Programm ermittelt daraufhin die Anzahl der Penetrationen sowie die Eindringtiefe in das Blech. Kommt es aufgrund veränderter Randbedingungen zu Dehnungsveränderungen während des Prozesses so kann die Steuerung den Bewegungsablauf anpassen und die gewünschten Dehnungswerte einregeln.
Die Vorgehensweise hierzu gliedert sich in folgende Unterschritte:

1. Schritt: Aus der bekannten Hauptform der Geometrie des Ziehteiles wird die Formänderungsfunktion F_H (s_T). ermittelt. F bedeutet hier die Formänderung und s den Verfahrweg. Diese Funktion zeigt die Geometrie in Abhängigkeit der Ziehtiefe auf. Diese Funktion kann auf folgende Art und Weise ermittelt werden: A: Im Steuerungsprogramm ist die Geometrie analytisch beschrieben. Das Programm ermittelt die Geometrie als Funktion der Ziehtiefe und gibt die Funktion diskret oder als stetige Funktion aus. B: Diese Funktion wird bei der Konstruktion des Bauteiles im CAD ermittelt. Hierzu wird ein adaptives Geometriemodell konstruiert und über die eindringtiefe s_T variiert. Die Geometrie wird an verschiedenen Stützstellen aufgezeichnet und die Funktion kann analytisch angenähert bestimmt werden. Hierzu haben sich Polynome 4 Grades bewährt. C: Durch eine Formänderungsanalyse kann die Funktion praktisch ermittelt und durch eine Näherungsfunktion analytisch formuliert werden.
2. Schritt: Im weiteren Schritt wird die Funktion der Prägeform F_P in Abhängigkeit der Prägetiefe s_P ermittelt. Diese lässt sich ebenso wie im ersten Schritt erreichen.
3. Schritt Nun kann der absolute Flächenzugewinn/Penetration errechnet werden.
4. Schritt Durch einen Flächenvergleich, kann der Nachregelweg der Tiefziehachse ermittelt werden. Dies gelingt mittels eines mathematischen Näherungsverfahren. Hierbei ist das nichtlineare Gleichungssystem so zu lösen, dass die entstehende Gesamtdehnung genau dem Wert entspricht, welcher erforderlich ist um die gewünschte Zargendehnung einzustellen.
5. Schritt Die mehrfache Anwendung von Schritt 4 und Schritt 5 führt nun zu den gewünschten Weginformationen für die Arbeitsachsen.

Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
1: Prozessstadien
2a, b: Formänderung der Hauptform F_H in Abhängigkeit der Ziehtiefe s_H
3a, b: Formänderung der Prägeform FB in Abhängigkeit der Prägetiefe sP
4: Werkzeug in der Einlegesituation
5: Werkzeug in der Phase der Deformation
6: Werkzeug in der Phase der Reformation
7: Struktogramm des Programms
1 zeigt die Prozessstadien (7), (11), (12), (13) und die Endgeometrie (1). Ziel ist es den beteiligten Blechbereichen des Ziehteilbodens (2) und der Ziehteilzarge (3) Dehnwerte vorzugeben, die nach dem Prozess eingestellt sind. Hierbei sind folgende Möglichkeiten gegeben: Die gemittelte Dehnung im Ziehteilboden (2) ist kleiner als die gemittelte Dehnung in der Zarge (3), die gemittelte Dehnung im Ziehteilboden (2) ist größer als die gemittelte Dehnung in der Zarge (3) oder die beiden gemittelten Dehnwerte sind gleich. Im letzteren Fall ist das Formänderungsvermögen austariert und das Ziehteil kann auf die maximale Höhe tiefgezogen werden. Um einen gewünschten Vorgabewert zu erhalten definieren wir das Dehnverhältnis G mit folgendem Zusammenhang:
Mit ε_Z = die gemittelte Dehnung in der Zarge und ε_{P_kumm} = die gemittelte Dehnung in der Prägezone also dem Ziehteilboden nach n-Penetrationen. Dies stellen die Zielgrößen des Verfahrens dar. Das Ablaufprogramm soll die Bewegungsachsen so steuern, dass das gewünschte Dehnungsverhältnis sich einstellt.
Das möglichst anzustrebende Gradientenverhältnis G sollte 1 sein. Es gibt aber sicher auch Anwendungen bei denen ein Teilbereich (2), (3) eine ganz bestimmte vorzugebende Dehnung haben kann.
In 2 ist nun die erste erforderliche Eingangsgröße aufgezeigt. Es wird die Formänderungsfunktion der Hauptform in Abhängigkeit der Regelgröße s_H dargestellt (70). Hierbei ist wichtig, dass sich die Formänderung zusammensetzt aus der Flächenänderung in zwei Hauptrichtungen und der Blechdickenänderung. Sind zwei der drei Änderungen bekannt, so kann die dritte ermittelt werden. Beispielhaft zeigen wir die Lösung auf, bei der die gemittelte Flächenänderung der Hauptform bekannt ist. Diese kann auf folgende Weisen ermittelt worden sein:

A) ein adaptives CAD Modell wird in der Höhe variiert und die jeweilige Flächenänderung wird aus dem CAD heraus ermittelt.
B) Das gesamte Bauteil wurde mathematisch im euklidischen affinen Raum beschrieben und die Flächen, oder Blechdickenänderung kann analytisch bestimmt worden sein.
C) Es wird eine praktische Formänderungsanalyse durchgeführt.

Die Formänderung, in unserem Beispiel die Flächenänderung kann nun in Form von diskreten Werten vorliegen oder wie im Falle B) als geschlossener analytischer Ausdruck. Hierbei zeigt sich, dass schon bei einfachen Geometrien der Hauptform (71), die Gleichungen nichtlinear sind und nicht auf einfache Weise nach einer gesuchten Größe aufgelöst werden können. Es betet sich demnach an die Funktion der Formänderung analytisch über einen Polynom n-ten Grades anzunähern. Dies erleichtert die spätere Auswertung.
In 3 wird die nächste benötigte Eingangsgröße aufgezeigt. Hierbei ist die Formänderung der Prägefläche über den Prägeweg gemeint (80). Auch hier kann beispielhaft die gemittelte Flächenänderung oder die gemittelte Blechdickenänderung verwendet werden. Die Funktion der Prägeform kann wie schon bei der Hauptform per CAD oder analytisch oder mittels Formänderungsanalyse bestimmt werden.
Aus der maximalen Dehnung der Prägeform (81) bei der maximalen Prägetiefe s_Pmax kann sofort die Anzahl an Penetrationszyklen ermittelt werden. Es gilt der Zusammenhang:
Beispiel: Die gewünschte Zielgröße beträgt 15% Dehnung im Ziehteilboden. Aus der Formänderungsfunktion (80) ergibt sich eine maximale Bodendehnung von 4% pro Penetration. Dies bedeutet, dass die Anzahl an Penetrationen genau 3,75 beträgt.
Es lässt sich nun ein mathematischer Zusammenhang zwischen der Dehnung der Hauptform (70) und der Dehnung der beteiligten Teilflächen, also Zarge und und Prägefläche herleiten (80). Es gilt der Zusammenhang: εHn(sTn)·A0H = εZ·A0Z + n·εP_max·A0P
Aus diesem Zusammenhang lässt sich die gesuchte Stellgröße s_Tn für alle Penetrationen errechnen. Da die Gleichung im Allgemeinen nicht nach s_Tn (22) aufgelöst werden kann, muss diese mit einem numerischen Näherungsverfahren unter Vorgabe eines maximalen Fehlerwertes gelöst werden. Hierzu kann das Bisektionsverfahren oder das Tangentenverfahren von Newton angewendet werden. Wurden die Eingangsfunktionen als Polynom n-ten Grades angenähert, dann kann diese Gleichung auch alternativ dadurch gelöst werden, dass die n-polynominalen Eingangsgleichungen im jeweiligen Arbeitspunkt durch eine Gerade linearisiert wird.
Durch dieses Verfahren erhalten wir die Stellgrößen (22), (23) für den ganzzahligen Anteil von n_{_max}. Wir müssen nun noch die Eindringtiefe für die letzte Penetration und den rest von n_max ermitteln. Hierzu muss die Formel umformuliert werden in den Zusammenhang: εHn(sT_max)·A0H = εZ·A0Z + (n·εP_max+ εP(sP))·A0P
Aus dieser Gleichung kann nun der letzte Wert für HP bestimmt werden und die gesuchten Größen sind ermittelt.
5 zeigt den maximalen Stellweg des Prägeweges (23).
6 zeigt das Werkzeug mit dem ausgefahrenen Tiefziehzylinder (32) und der Stellgröße des Tiefziehweges s_T (22).

Claims

Verfahren und Programm zum Steuern einer Hauptachse (22) welche einen Tiefziehstempel (32) zum Tiefziehen einer Platine (7) antreibt, und zum Steuern des Weges (23) einer Prägeachse (35) welche einen Prägestempel (33) zum Prägen des Innenbereiches (14) des Umformgutes (1) antreibt dadurch gekennzeichnet, dass der Weg (22) der Tiefziehachse (34) oder der Weg (23) der Prägeachse (35) aufgrund der Formänderung des Ziehteilbodens (80) und der Formänderung der gesamten Hauptform (70) oder einer Teilfläche (2), (3) der Hauptform (70) bestimmt wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Weg (22) der Tiefziehachse (34) oder der Weg (23) der Prägeachse (35) aufgrund der Flächenänderung (70) der gesamten Hauptform oder einer Teilfläche (2) der Hauptform (70) und der Flächenänderung (80) des Ziehteilbodens (81) ermittelt wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der Tiefziehachse (34) oder der Weg der Prägeachse (35) aufgrund der Blechdickenänderung des Umformgutes im Prägebereich (14) und der Flächenänderung (70) der gesamten Hauptform (71) oder einer Teilfläche (2), (3) der Hauptform (71) ermittelt wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der Tiefziehachse (34) oder der Weg der Prägeachse (35) aufgrund der Blechdickenänderung des Umformgutes (1) im Prägebereich (14) und einem Zuschlag ermittelt wird und die erforderliche Blechdickenänderung während des Prozesses erfasst wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der Tiefziehachse (34) oder der Weg der Prägeachse (35) aufgrund der Blechdickenänderung des Umformgutes (1) im Prägebereich (14) und einem Zuschlag ermittelt wird und die erforderliche Blechdickenänderung nach dem Prozess erfasst wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Weg der Tiefziehachse (34) oder der Weg der Prägeachse (35) aufgrund der Volumenänderung der Teilbereiche des Umformgutes (1) und einem Zuschlag ermittelt wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehachse (34) oder Prägeachse (35) so gesteuert sind, dass am Prozeßende ein vorgewähltes Dehnungsverhältnis G der mittleren Bodendehnung zur mittleren Zargendehnung eingestellt ist.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehachse (34) oder Prägeachse (35) so gesteuert sind, dass am Prozeßende ein vorgewähltes Dehnungsverhältnis der gemittelten Bodendehnung zur gemittelten Zargendehnung eingestellt ist und dieses Dehnungsverhältnis gleich 1 ist.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrweg der Tiefziehachse (34) oder der Prägeachse (35) über ein numerisches Näherungsverfahren ermittelt wird.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung erforderliche Formänderungen (70), (80) über ein mathematisches Modell des Umformgutes (1) errechnet werden.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung erforderliche Formänderungen (70), (80) über ein adaptives CAD-Modell ermittelt werden.
Verfahren und Programm nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung erforderliche Formänderungen (70), (80) über ein adaptives CAD-Modell ermittelt werden und diese dann über eine mathematische Näherungsfunktion abgebildet werden.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass die zur Steuerung erforderliche Formänderungen (70), (80) über eine Formänderungsanalyse bestimmt werden.
Verfahren und Programm nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Weges der Tiefziehachse (22) die Formänderungen des Bodens (80) und der Hauptform (70) im jeweiligen Arbeitspunkt durch eine Taylor-Reihe genähert werden.