Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Werkzeugskalierung

Das ZUK forscht zur Rückfederungskompensation von Bauteilen insbesondere der Automobilindustrie. Im Projekt „Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur abwicklungs- und flächentreuen Rückfederungskompensation“ (FKZ: ZF4420801LP7) ist ein neuartiges Verfahren zur Rückfederungskompensation mit Hilfe eines physikalischen Ansatzes entwickelt worden. Mit diesem neuen Verfahren gelingt es, Verdrehungen, Verbiegungen etc., die beim Umformen von Werkstücken auftreten, in kurzer Zeit mit geringem Aufwand zu kompensieren.

Die Entwicklung des neuen Verfahrens lief sehr gut, sodass es bereits bei einfachen Geometrien angewandt werden konnte. Im Rahmen der Entwicklung stellte sich aber heraus, dass die aktuell genutzten Faktoren zur Skalierung von Werkzeugen (Kompensation von Stauchungs- oder Längungsfehlern) die Realität nicht ausreichend exakt wiedergeben, sodass sich weiterhin Fehler in Bauteilen ergeben, die im Nachhinein aufwändig händisch korrigiert werden müssen. Aktuell werden festgelegte Faktoren zur Werkzeugskalierung genutzt, die Spannungszustände im umzuformenden Bauteil nicht berücksichtigen.

Die Automobilindustrie ist aufgrund des hohen Konkurrenzdruckes dazu gezwungen, die ästhetischen Ansprüche der Kunden mit Hilfe von fertigungstechnisch immer anspruchsvolleren Bauteilgeometrien zu erfüllen. Auch die Qualitätsanforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit und Oberflächengüte wachsen immer mehr. Es müssen somit Lösungen gefunden werden, um die damit verbundenen Entwicklungszeiten und -kosten zu reduzieren. Einer der größten Kostentreiber (ca. 20 – 25 % der Gesamtkosten) bei der Entwicklung von Umformwerkzeugen zur Herstellung komplexer Karosserieteile, ist die Kompensation der elastischen Rückfederung des Umformteils.

Metallische Werkstoffe besitzen ein elastisch-plastisches Umformverhalten, das durch ihr Elastizitätsmodul (E-Modul), ihre Streckgrenze und Zugfestigkeit bzw. Bruchdehnung, ihr Verfestigungsverhalten sowie ihre Formänderungshistorie bestimmt wird. Nach dem Öffnen des Ziehwerkzeugs, kommt es dadurch zu einer unerwünschten elastischen Deformation des Bauteils. Dieser als Rückfederung bezeichnete Effekt verursacht zum einen Maß- und Formabweichungen, welche durch Methoden zur Überbiegungen der Ziehschale kompensiert werden. Zum anderen ändern sich durch die Rückfederung der Oberflächeninhalt und die Abwicklungslänge des Bauteils.

Das Ändern des Oberflächeninhalts der Werkzeuggeometrie, zur Kompensation der Bauteilschrumpfung, wird als Skalierung bezeichnet. Bisherige Verfahren zum Skalieren der Werkzeuggeometrie stellen jedoch nur eine Näherung dar und eine Flächen- und Abwicklungsgleichheit von rückgefedertem Bauteil zur Sollgeometrie ist nicht gegeben. Mit dem hier zu entwickelnden Verfahren zur Skalierung soll diese Bedingung erfüllt werden.

Ziel des Projektes ist es, die Werkzeugskalierung im Vorfeld der physikalischen Rückfederung mit Hilfe einer numerischen Simulation genau zu berechnen, sodass nicht wie bisher ein globaler Skalierungsfaktor genutzt werden muss, der mit Ungenauigkeiten behaftet ist. Mit Hilfe der numerischen Simulation gelingt eine präzise Antizipation der durch die elastische Rückfederung entstehenden Oberflächenunterschiede zwischen Sollgeometrie und Rückfederungsgeometrie.

Arndt Birkert, Philipp Zimmermann, Markus Scholle, Benjamin Hartmann, Markus Straub
New Physical Scaling Approach to compensate the part contraction in drawing operations

International Deep Drawing Research Group, Seoul, Virtual Conference, 2020

https://doi.org/10.1088/1757-899X/967/1/012041