Berechnung kritischer Großwerkzeugkomponenten zur Verbesserung von deren Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit

Abstract

Aufgrund des globalen Wettbewerbs steigen die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der Automobilproduktion stetig an. Die Wettbewerbsfähigkeit der Marktteilnehmer wird hierbei maßgeblich durch Produktivitätspotentiale bestimmt. Im Karosseriebau wird dieser Randbedingung durch die Erhöhung der Ausbringungsleistung begegnet. Hierbei wird insbesondere durch die Einführung neuer Fertigungssysteme versucht, die Produktivität der Blechteilherstellung zu steigern. Der Einsatz der Servopressentechnologie in der Herstellung von Karosserieaußenhautteilen bietet Möglichkeiten, langfristig den gesteigerten Anforderungen an die Produktivität moderner Presswerke zu begegnen. Durch die in Servopressen eingesetzte Motoren- und Regelungstechnik wird eine flexible Programmierung der Stößelbewegung ermöglicht. Insbesondere Nebenzeiten können durch diese relativ neue Pressentechnik reduziert werden, indem das Werkzeug mit einer höheren Geschwindigkeit geöffnet und geschlossen werden kann. Prozessfenster können dementsprechend beibehalten und gleichzeitig die Gesamtausbringung der Pressenlinie erhöht werden. Aufgrund der erhöhten Stößelgeschwindigkeiten induzieren massebehaftete bewegliche Werkzeugkomponenten erhöhte Reaktionskräfte in der Werkzeugstruktur sowie in der Pressenstruktur selbst. Diese Reaktionskräfte können wiederum kritische Belastungen für Werkzeug- und Pressenstruktur übersteigen und somit zu Störungen des Umformprozesses sowie zu einem Versagen von Komponenten in der Serienproduktion führen. Diese Herausforderung erfordert eine Anpassung des klassischen Werkzeugentstehungsprozesses im Hinblick auf die geänderten Prozessanforderungen aufgrund der neuartigen servomotorischen Stößelantriebe. Der Werkzeugentstehungsprozess bildet als Bindeglied zwischen Fahrzeugdesign und Blechteilproduktion die Schlüsselrolle in der Karosserieteilfertigung. Den Veränderungen der Produktionsbedingungen im Presswerksbetrieb durch erhöhte Stößelgeschwindigkeiten wird heute im vorwiegend empirisch geprägten Werkzeugbau aktuell noch zu wenig begegnet. Umformwerkzeuge für Karosseriebauteile werden heute noch recht konservativ ausgeführt, was bedeutet, dass diese meist durch große Massen und hohe Sicherheitsfaktoren geprägt sind. Dies wirkt sich in der Folge nachteilig auf die Ausbringungsleistung und Betriebssicherheit der Pressenlinie und die strukturelle Belastung der Umformwerkzeuge aus. Einerseits müssen in diesem Fall die Hubzahl der Pressenlinie reduziert werden, um die strukturellen Belastungen der Werkzeugkomponenten herabsetzen zu können. Andererseits bedingen hohe Massen der Oberteile von Großwerkzeugen hohe Antriebsleistungen des Pressenstößels, die es langfristig zu reduzieren gilt. Vor diesem Hintergrund wird eine Anpassung der konventionellen Werkzeugauslegung und -konstruktion notwendig, um so den zukünftigen Anforderungen an eine wirtschaftliche Pressteilherstellung im Presswerk zu begegnen. Hierfür muss eine belastungsgerechte Werkzeugausführung umgesetzt werden, um bereits im Werkzeugentstehungsprozess auf zukünftige Belastungen zu reagieren und die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Werkzeuge entsprechend der Anlagentechnik auch bei erhöhten Stößelgeschwindigkeiten beibehalten zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb eine Vorschrift zur belastungsgerechten Auslegung und Konstruktion von Werkzeugen der Folgeoperationen mit dynamisch bewegten Massen entwickelt, wobei die ganzheitliche Betrachtung des dynamischen Werkzeugsystems aus Werkzeugoberteil und massebehafteten, beweglichen Werkzeugkomponenten im Vordergrund steht. Im ersten Teil der Arbeit werden für die dynamische Belastung relevante Werkzeugkomponenten bestimmt und ein Berechnungsmodell abgeleitet, um das dynamische Systemverhalten eines Folgewerkzeugs für größere Karosserieteile zu beschreiben. Hierbei wird der Fokus aufgrund der bewegten Massen auf die Analyse des dynamischen Niederhaltersystems gelegt. Die identifizierten Werkzeugkomponenten werden daraufhin auf ihr Verbesserungspotential im Hinblick auf deren dynamische Belastung untersucht. Um dafür eine wissenschaftlich fundierte Berechnungsvorschrift zu erstellen, wird eine Modellparametrisierung zur Beschreibung des dynamischen Niederhaltersystems durchgeführt. Die Modellparametrisierung wird anhand von realen Prozessdaten durchgeführt. Zur Festlegung dieser prozessdatenbasierten Modelle werden Versuchsdaten mittels eines Versuchswerkzeugs erfasst und ausgewertet. Ein idealisiertes Versuchswerkzeug ermöglicht hierbei die Bestimmung von Parametern zuvor ausgewählter rheologischer Modellen, die eine Prognose der auftretenden Werkzeugschwingungen ermöglichen. Anschließend werden diese Modelle zur Auslegung der Werkzeugstrukturen herangezogen. Hierbei wird eine Vorgehensweise zur Spannungsbewertung nach der aktuellen FKM-Richtlinie abgeleitet, die es auf Basis der rheologischen Modelle ermöglicht, die auftretenden Belastungen über den Werkzeuglebenszyklus zuverlässig zu bewerten. Abschließend wird die Übertragbarkeit der dynamischen Schwingungsmodelle auf Serienwerkzeuge anhand von Serienmessdaten validiert. Hierfür wird das Werkzeug-Presse-Kollektiv berücksichtigt und anhand von Mehrkörpersimulationen abgebildet. Die Wechselwirkungen zwischen Presse und Werkzeug werden dabei detailliert untersucht und die Eignung der aufgestellten Modelle zur Vorhersage der Dynamik des Niederhalters beim Rückhub des Stößels validiert. Anhand einer Diskussion der Ergebnisse endet diese Arbeit mit der Festlegung einer Auslegungsvorschrift für Folgeoperationen im Hinblick auf die dynamische Niederhalterbelastung. Diese Arbeit liefert somit eine Verbesserung typischer Niederhalterstrukturen im Hinblick auf deren belastungsgerechte Auslegung gegen zu hohe dynamische Belastungen bei hohen Stößelgeschwindigkeiten in Folgeoperationen. Die diesbezüglich abgeleitete, standardisierte Auslegungsvorschrift erweitert die bisher empirische Werkzeugauslegung und -konstruktion um fundierte wissenschaftliche Gesichtspunkte.