Entwicklung einer Regelungsmethodik für den Tiefziehprozess während des Umformhubs

Abstract

Die Fertigung von Karosseriebauteilen steht aus Gründen des Leichtbaus heute vor großen Herausforderungen. Das Gewicht der stets umfangreicheren Komfortausstattung der Fahrzeuge sowie die Akkus zukünftiger, elektrisch angetriebener Fahrzeuge müssen durch den Karosserieleichtbau ausgeglichen werden. Gewichtseinsparungen in modernen Karosseriekonzepten sollen durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen sowie hochfesten Blechgüten deren Formänderungsvermögen jedoch eingeschränkt ist, erreicht werden. Auf Grund rascher Modellwechsel im Automobilbau nimmt der Verwendungszeitraum der Umformwerkzeuge kontinuierlich ab. Des Weiteren wird das Design der Bauteile durch markante Karosseriekanten und Designlinien umformtechnisch stets anspruchsvoller. Diese Herausforderungen werden durch den ständig steigenden Kostendruck in der Automobilindustrie aufgrund zunehmender Globalisierung noch weiter verschärft. Um diesem Kostendruck zu begegnen, werden heute in der Automobilindustrie eingesetzte Produktionstechnologien deutlich verbessert und in ihrer Effizienz gesteigert. Dazu gehört auch die Entwicklung neuer Methoden für das Tiefziehen der Karosseriebauteile, um den Ausschuss im Presswerk zu reduzieren und Anlaufprozesse zu beschleunigen. In dieser Arbeit wurde eine neuartige Methode zur Regelung des Tiefziehprozesses während des Hubs entwickelt und bezüglich ihrer Einsatzfähigkeit untersucht. Sie ermöglicht es den Platinenkanteneinzug beim Tiefziehen während des Hubs zu verändern und auf die aktuelle Prozesssituation anzupassen. Damit kann auf Prozessstörungen wie beispielsweise eine fehlerhafte Schmierung der Platine oder Abweichungen der Werkstoffparameter etc. reagiert und diese ausgeglichen werden. Hierdurch kann eine signifikante Reduzierung der Ausschussraten beim Tiefziehen erreicht werden. Dies wird gerade im Hinblick auf die vermehrte Verwendung von hochfesten Stahl- und Aluminiumlegierungen bedeutsamer, da diese Blechwerkstoffe gegenüber konventionellen Tiefziehgüten teuerer sind. Der hier verwendete Regelungsansatz beruht auf dem Konzept einer vorgesteuerten Trajektorienfolgeregelung auf Basis eines Meta-Modells. Dieses Meta-Modell wird aus Simulationen mit stochastisch verteilten Parametern gewonnen. Die Zustandsgröße des in dieser Arbeit entworfenen Regelungsansatzes bildet die sog. Zargenspannung. Sie wird dazu verwendet, den Zustand des aktuellen Umformvorgangs während des Hubs abzuschätzen, um anschließend den Platinenkanteneinzug anzupassen. Dieser Regelungsansatz ermöglicht es, zusätzlich zur Steigerung der Prozessrobustheit, eine eigenschaftsgesteuerte Regelung des Tiefziehprozesses zu realisieren. Die Solltrajektorien können beispielsweise in Abhängigkeit von der gewünschten plastischen Dehnungsverteilung im Bauteil in Grenzen variiert werden. Die entworfene Regelung wird mithilfe einer SPS-Steuerung mittels eines Versuchswerkzeugs erprobt. Diese Umsetzung erlaubt einen späteren Einsatz des Konzepts in der Presswerksumgebung. In Anbetracht der stark gestiegenen Anforderungen an den Karosseriebau kann das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren einen Beitrag zur Reduktion des Ausschusses im Presswerk, sowohl im Normalbetrieb, beim Anfahren, bei Chargenwechsel, als auch beim Wiederanfahren nach Prozessstörungen und Pausen, leisten. Durch diese Eigenschaften trägt der entworfene Regelungsansatz zur Lösung der genannten Herausforderungen bei.