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