Verfahren zum inkrementellen Umformen von Blechstrukturen, insbesondere zum Umformen von Rohren oder dgl.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum inkrementellen Umformen von Blechstrukturen, insbesondere zum Umformen von Rohren oder dgl. gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Herstellung dickwandiger Blechbauteile wie etwa dickwandiger Rohre für Pipelineanwendungen oder dgl. erfolgt neben dem klassischen Walzprozess auch mittels sog. inkrementeller Umformverfahren wie etwa dem inkrementellen Freibiegeprozess (bspw. mit Hilfe des sog. JCO-Prozesses). Hierbei werden aufgrund der großen Blechdicken die Rohre jeweils nacheinander aus ebenen Blechtafeln in einzelnen Abschnitten durch einen Freibiegestempel und zwei Rollenauflager lokal umgeformt und durch Hintereinanderschaltung vieler solcher Umformoperationen die letztendlich gewünschte Form des Werkstückes, z.B. also die runde Form eines Rohres hergestellt. Die Umformung erfolgt hierbei häufig anhand von Erfahrungswerten des Bedienpersonals, wobei die Positionierung der Blechbauteile bei der Umformung sowie der jeweilige Umformungsgrad in jedem Arbeitsschritt viel Erfahrung voraussetzt. Beispielsweise wird zur Herstellung dickwandiger Rohre nach dem JCO-Prozess ausgehend von einer ebenen Blechplatine entsprechender Dicke in jeweils aufeinanderfolgenden Biegeumformungen mit Hilfe eines langen schmalen Freibiegestempels die Blechplatine, ausgehend von den Rändern, nacheinander angerundet und immer weiter lokal rund gebogen, bis sich ein näherungsweise runder Querschnitt ergibt. Der schmale Freibiegestempel taucht dabei immer wieder in die sich bildende Rundung des Bleches ein und verformt das vorher ebene Blech entlang der sich ü- ber die Rohrlänge erstreckenden Biegekante immer wieder lokal. Die dabei auftretenden Umform prozesse sind recht komplex und führen immer wieder zu Abweichungen der hergestellten Umformung gegenüber einem gewünschten Sollwert, die der Maschinenbediener aufgrund seiner Erfahrungen immer wieder ausgleichen muss.

Eine industrielle Fertigung dickwandiger Rohre stellt daher aufgrund von mehreren Störgrößen, wie z.B. Blechdicken- und Chargenschwankungen sowie Rückfederung, ein komplexes Vorhaben dar. Diese Problematik tritt verstärkt beim Verarbeiten von neueren Werkstoffenklassen wie z.B. hochfesten Stählen auf, da ihr plastisches Verhalten sich von den klassischen Stählen stark unterscheidet und für den Ferti- gungsprozess wegen der hohen entstehenden Materialkosten nicht ausführlich untersucht werden kann. Des Weiteren ist bei der industriellen Fertigung dickwandiger Rohre ein hohes Maß an Erfahrung bei der Bedienung der Maschine notwendig, um ein hochqualitatives Ergebnis zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art insofern weiterzuentwickeln, dass bei derartigen Umformverfahren die Beherrschung der unvermeidlichen Störgrößen wie etwa Blechdicken- und Chargenschwankungen sowie die Rückfederung verbessert und die Umformung vereinfacht und reproduzierbarer gestaltet wird.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Umform prozesses, insbesondere eines inkrementellen Umformprozesses zur Fertigung gekrümmter Blechstrukturen, bei dem zu Beginn eines Umformprozesses mittels eines in einer Recheneinrichtung implementierten mathematischen Modells des Umformprozesses in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangsgrößen zumindest ein ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung vorausberechnet wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass als ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung die Stempeleintauchtiefe für einen inkrementellen Freibiegeprozesses und als Metamodell für weitere Umformungen eine Biegeradius-Stempeleintauchtiefe- Beziehung anhand einer Finite-Element-Analyse (FEM-Analyse) des Umformprozesses bestimmt werden, anschließend der erste Umformschritt ausgeführt wird, nach dem ersten und/oder weiteren ausgeführten Umformschritten die entstandene Ist- Form der gekrümmten Blechstruktur erfasst und eventuelle Abweichungen zur gewünschten Sollkontur ermittelt werden und diese Abweichungen als Korrekturwerte dem Metamodell wieder zugeführt und zur adaptiven Anpassung der Metamodellda- ten für den oder die nächsten Umformschritte zur Kompensation von auftretenden Abweichungen der Umformung genutzt werden, anhand derer die weiteren Umformschritte z.B. durch Vorgabe der Stempeleintauchtiefe beeinflusst und/oder korrigiert werden. Eine solche Regelungsstrategie erlaubt eine sehr viel kontrolliertere Umformung der Ausgangsmaterialien zu gekrümmten Blechstrukturen als die bisher praktizierte Umformung anhand von Erfahrungswerten und dem Fingerspitzengefühl des Bedieners, zum einen, da die Umformung anhand der FEM-Analyse komplett vorab geplant und optimiert werden kann. Anhand dieser Vorabplanung sowie der ständigen Überwachung des Umformvorgangs sowie der Berücksichtigung dabei erkannter Abweichungen zwischen der geplanten Sollkontur und der erfassten Ist-Kontur der erzeugten gekrümmten Blechstrukturen können die Abweichungen viel schneller und genauer kompensiert und die gekrümmten Blechstrukturen wesentlich zuverlässiger und genauer hergestellt werden. Aufgrund der Regelungsstrategie ist ein wesentlich geringerer Ausschuss zu erwarten, da die Fertigung zu jeder Zeit überwacht wird, zudem können Personalkosten eingespart werden, da weniger qualifiziertes Personal eingesetzt werden kann. Die adaptive Regelungsstrategie berücksichtigt hierbei sowohl aufgetretene Abweichungen aufgrund von Materialdiskontinuitäten als auch aufgrund von Positionierungsfehlern des Ausgangsmaterials oder der gekrümmten Blechstrukturen relativ zu dem Umformungsstempel, die aufgrund von Bedienungsfehlern oder nicht hinreichender Kontrolle des Umformvorganges durch den Bedie- ner sonst auftreten und schnell aus einem teuren Materialrohling Schrott werden lassen können. Damit trägt die Regelung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens wesentlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.

In einer ersten Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Metamodell auf Basis des notwendigen Biegeradius ^' aufgestellt wird, der sich aus der Zielgeometrie der gekrümmten Blechstruktur und der gewünschten Anzahl der Umformschritte ergibt. Das Metamodell wird hierbei für die gewünschte Zielgeometrie und mit der gewünschten Anzahl der Umformschritte mittels der FEM-Analyse aufgestellt und ggf. optimiert, so dass hinsichtlich der Umformverhältnisse eine optimale Aufteilung der jeweils notwendigen lokalen Umformvorgänge hergestellt werden kann. Dabei geht das Metamodell bei der erstmaligen Aufstellung für ein neues Werkstück von Idealwerten hinsichtlich der Umformung und der Materialeigenschaften aus, die in der Praxis in der Regel so nicht gegeben sind. Durch die laufende Korrektur des Metamodells aufgrund der erfassten Abweichungen sowie ggf. auch aufgrund vorhergehender Erfahrungswerte ähnlicher Metamodelle für ähnliche gekrümmte Blechstrukturen kann das Metamodell adaptiv an die tatsächlichen Umformverhältnisse und sonstige Einflussgrößen wie etwa Chargenunterschiede der zu verformenden Ausgangsmaterialien angepasst und laufend weiter entwickelt werden. Somit wird quasi das bisher beim Bediener liegende Erfahrungs-Know-How in dem Metamodell gespeichert und kann immer wieder genutzt und reproduziert werden. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn für den notwendigen Biegeradius und für eine definierbare Anzahl kleinerer oder größerer Radien unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) die dazugehörigen Stempeleintauchtiefen bestimmt werden.

In einer ersten Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Metamodell vorab komplett aufgestellt und vorzugsweise in einer Datenbank abgelegt wird. Da die Berechnung typischerweise im Rahmen der Fertigungsvorbereitung erfolgt, ist die Berechnungszeit als weniger kritisch zu bewerten. Dementsprechend kann die Berechnung auf Basis einer kommerziellen FEM-Software erfolgen (Dauer typischerweise ca. 60 Minuten). Wurde bereits für einen äquivalenten Auftrag ein zugehöriges Metamodell berechnet, ist eine erneute Berechnung nicht notwendig und das Metamodell kann der Datenbank entnommen werden. Wird hingegen in anderer Ausgestaltung eine kurze Berechnungszeit verlangt, kann das Metamodell stattdessen auch durch eine in Echtzeit ablaufende Prozesssimulation berechnet werden.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Korrekturwerte für die Ermittlung der Stempeleintauchtiefe des oder der nächsten Umformschritte laufend oder zu bestimmten Umformfortschritten erfasst und dem Metamodell zugeführt werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Parameter des Metamodells laufend an die konkrete Umformung des jeweiligen Werkstücks mit allen temporären oder werkstoffabhängigen Einflussfaktoren angepasst wird und dadurch unvermeidliche Abweichungen einzelner Umformschritte sich nicht aufsaldieren und zu unzulässigen Abweichungen der gesamten hergestellten gekrümmten Blechstruktur führen. Gleichzeitig können die geänderten Parameter quasi als gemessenes Erfahrungswissen gespeichert und für weitere identische oder ähnliche Werkstücke benutzt werden. Dabei können in weiterer Ausgestaltung die vorhandenen Daten des Metamodells laufend durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt und/oder modifiziert und/oder ergänzt werden. So ist es z.B. möglich, durch entsprechende Gestaltung des Metamodells die jeweils verwendeten Daten auch zu archivieren, um z.B. Anpassungen an jeweils leicht unterschiedliche Eigenschaften der Ausgangsmaterialien, die sich durch Chargenunterschiede zwischen verschiedenen Ausgangsmaterialien nicht vermeiden lassen, zu berücksichtigen und zukünftig automatisch zu kompensieren.

Daher ist es von wesentlichem Vorteil, wenn die Materialkennwerte des umzuformenden Materials in dem Metamodell berücksichtigt werden. Dabei können z.B. bei jedem Wechsel des Ausgangsmaterials die vorhandenen Daten des Metamodells nacheinander durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt oder modifiziert werden. Die unvermeidlichen Chargenunterschiede oder auch lokale Unterschiede von Materialien aus der geliehen Charge führen zu lokalen Änderungen der jeweiligen Umformung einer herzustellenden gekrümmten Blech struktur, die mittels der erfassten Abweichungen im Rahmen der Regelungsstruktur berücksichtigt werden können. Hierbei ist es insbesondere denkbar, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials anhand der ersten Umformung bestimmt werden, also die theoretische Verformung des Ausgangsmaterials bei der ersten Umformung gezielt daraufhin untersucht wird, welche Abweichungen vorliegen und wie diese Ab- weichungen auf die Materialeigenschaften zurück zu führen sind. Dies kann dann ohne weiteren Verzug oder ohne umfangreiche Vorab-Messungen der Materialeigenschaften etwa im Labor für die weiteren Umformungen genutzt und berücksichtigt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials vor der ersten Umformung, z.B. anhand von Labormessungen bestimmt werden.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn bei der Verwendung einer Materialbeschreibung ein Faktor definiert wird, der angibt, wie genau die vorliegende Materialbeschreibung das verwendete Halbzeug beschreibt. Anhand eines solchen Faktors können etwa unterschiedliche vorab ermittelte oder auch durch vorherige Umformungen bestimmte Metamodelle gezielt ausgewählt und für die jeweils vorliegende Umformung als Startwerte genutzt werden.

Weiterhin ist es von großer Bedeutung für die Ausführung des Regelungsprozesses, wenn die relative Positionierung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur relativ zu dem Umformstempel vor einzelnen Umformungen oder jeder Umformung messtechnisch erfasst und an die Solllage ange- passt oder die Fehlpositionierung berücksichtigt wird. Hierdurch kann zum einen eine falsche oder nicht ausreichende Positionierung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur schon vor der nachfolgenden Umformung kompensiert werden, zum anderen kann auch durch gezielte Repositionie- rung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur anhand des Metamodells der nachfolgende Umformungsprozess beeinflusst werden. Hierfür müssen aber ungewollte Fehlpositionierungen ausgeglichen bzw. be- wusste Repositionierungen aufgrund von erkannten Abweichungen genau eingestellt werden, damit das Ausgangsmaterial bzw. die teilweise verformte gekrümmte Blechstruktur sich in gewünschter Weise verformt.

Hierbei ist es in einer ersten Ausgestaltung denkbar, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Soll-Form und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur unmittelbar mit der folgenden Umformung komplett kompensiert wird, z.B. kann die ermittelte Abweichung mit dem Biegeradius der unmittelbar folgenden Umformung verrechnet werden. Hierdurch werden erfasste Abweichungen sofort mit dem nächsten Umformschritt kompensiert und können nicht mehr zu weiteren Abweichungen in den nachfolgenden Umformschritten führen. Hierbei muss aber beachtet werden, dass die dazu notwendige Umformung nicht über die zulässigen Umformungsgrade und Umformungseigenschaften hinaus verändert wird, da ansonsten Materialversagen oder weitere Abweichungen hervorgerufen werden könnten. Daher ist es in anderer Ausgestaltung auch denkbar, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Sollform und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur z.B. über mehrere der folgenden Umformungen verteilt kompensiert wird.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn die Erfassung der Lage und/oder der Form des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur optisch und/oder taktil erfolgt. Die optische Erfassung hat den Vorteil der berührungslosen Technik und damit eines geringeren Verschleißes sowie weitgehender Robustheit gegenüber Positionierungsproblemen. Eine taktile Erfassung kann unter Umständen genauer erfolgen. Auch eine Kombination beider Verfahren ist grundsätzlich denkbar.

Bei der optischen Erfassung der Lage und/oder der Form des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur kann die jeweilige Lage und/oder Ist-Form der gekrümmten Kontur der inkrementell umgeformten Blechstruktur besonders vorteilhaft anhand mindestens einer Konturlinie einer der Kanten der Blechstruktur, vorzugsweise einer Stirnseite der Blechstruktur bestimmt werden. Dabei kann mit einem optischen Sensor wie einer Kamera oder dgl. mittels an sich bekannter Berechnungsverfahren aus einem Abbild der jeweiligen Kante die benötigte Konturlinie extrahiert werden, wodurch mit hinreichender Genauigkeit quasi ein Schnitt der verformten gekrümmten Blechstruktur bestimmt werden kann. Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehr als eine Kante der verformten gekrümmten Blechstruktur zu vermessen und damit auch Aussagen über räumliche Abweichungen zwischen Sollform und Ist-Form zu gewinnen. So könnte ein zylindrisch umzuformendes Rohr etwa an beiden Stirnflächen vermessen und damit auch Abweichungen entlang der Längserstreckung des Rohres erfasst werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, nicht nur eine Kante der verformten gekrümmten Blechstruktur zu vermessen, sondern z.B. über gezielt auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials angebrachte Markierungen auch andere Bereich der Oberfläche der gekrümmten Blechstruktur entsprechend zu erfassen und Abweichungen zu ermitteln und ent- sprechend zu kompensieren. Dabei kann die ermittelte Konturlinie der Kante oder auch der Oberfläche der Blechstruktur mit einer Konturlinie der zugehörigen Sollkontur der inkrementell umgeformten Blechstruktur verglichen und daraus vorhandene Abweichungen bestimmt werden. In weiterer Ausgestaltung kann etwa die Kante der Blechstruktur optisch erfasst und der Verlauf der Kante durch einen Polygonzug diskreter Punkte auf der Kante der Blechstruktur beschrieben werden.

Für die Relativpositionierung zwischen Umformstempel und Ausgangsmaterial bzw. teilweise verformte gekrümmte Blechstruktur kann es sinnvoll sein, wenn Markierungen auf den Umformstempel und/oder auf mindestens eine der Kanten der Blechstruktur aufgebracht werden, die optisch erfasst werden und mit denen durch entsprechende optische Verfahren Fehler bei der Relativpositionierung zwischen Umformstempel und der Kante der Blechstruktur erfasst und dann gleich bei der Positionierung vor der eigentlichen nächsten Umformung kompensiert werden können. Auch dies trägt zur wesentlichen Verbesserung der Herstellungsqualität bei.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.

Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Darstellung der Ausgangssituation des Umfor- mens eines ursprünglich ebenen Dickbleches zu einem gekrümmten Körper mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel und Auflagern unter Kontrolle von Abweichungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Figur 2 - eine vergrößerte Darstellung der Umformsituation bei der Erfassung von Abweichungen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1 ,

Figur 3a-3p - ein Stadienplan der Veränderungen beim Umformen des ursprünglich ebenen Dickbleches zu einem gekrümmten Körper mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel und Auflagern gemäß Figur 1 bzw. 2. In der Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung der grundsätzliche Aufbau des Umformens eines ursprünglich ebenen Dickbleches 1 zu einem gekrümmten Körper, hier in Form eines im wesentlichen zylindrischen Rohres, mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel 2 und Auflagern 3 unter Kontrolle von Abweichungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Derartige Umformungen kommen besonders häufig bei der Herstellung von dickwandigen Rohren zum Einsatz, sind aber grundsätzlich auf nahezu beliebige dickwandige gekrümmte Körper 1 ^' aus Blech zu übertragen. Der Einfachheit halber soll das erfindungsgemäße Verfahren an derartigen dickwandigen Rohren erläutert werden, die Funktionsweise lässt sich jedoch auf nahezu beliebige dickwandige gekrümmte Körper 1 aus Blech übertragen.

Das Freibiegen des ursprünglich ebenen Ausgangsmaterials in Form eines dicken Bleches 1 erfolgt zwischen einem Umformstempel 2 und zwei als Rollen 3 ausgebildeten Auflagern, indem der Umformstempel 2 in Zustellrichtung 7 auf das Ausgangsmaterial 1 gedrückt wird und dieses dann lokal entlang einer im wesentlichen linearen Zone 12 entlang der Längserstreckung des Umformstempels 2 lokal umformt. Dieses Herstellungsverfahren ist grundsätzlich bekannt und soll daher hier nur insoweit erläutert werden, wie dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung von Belang ist.

Das ursprünglich ebene Ausgangsmaterial 1 verformt sich dabei entlang der linearen Umformzone 12 durch die Dreipunktauflage zwischen dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3 derart, dass sich eine rinnenförmige Abrundung entlang des Einwirkbereiches des Umformstempels 2 einstellt. Die seitlichen Randbereiche des Ausgangsmaterials 1 stellen sich dabei ein wenig nach oben hoch. Führt man eine Reihe derartiger Umformvorgänge nacheinander durch und verschiebt dabei das Ausgangsmaterial 1 relativ zu dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3, so lässt sich eine sukzessive Rundung des ursprünglich ebenen Ausgangsmaterials 1 herstellen, die dann gemäß dem in der Figur 3 näher dargestellten Stadienplan und den verschiedenen Zwischenstufen auf dem Weg zu einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt führt.

Dieser an sich bekannte Umformvorgang mittels des inkrementellen Freibiegens wird heute vielfach manuell gesteuert und basierend auf dem Erfahrungswissen des Ma- schinenbedieners ausgeführt und ist daher relativ fehleranfällig. So kann z.B. wie in Figur 1 dargestellt die Relativlage zwischen noch ebenem Ausgangsmaterial 1 und dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3 nicht stimmen, etwa wie in Figur 1 zu erkennen eine Schrägstellung 8 des Ausgangsmaterials 1 relativ zu der Umformlinie sich ergeben. Würde in dieser schrägen Stellung das Ausgangsmaterial 1 umgeformt werden, so ergäbe sich eine völlig falsche Geometrie des derart verformten Bleches 1 ^' , die sich möglicherweise durch nachfolgende Umformoperationen noch verschlimmem würde. Zur Verhinderung derartiger Fehlereinflüsse, zu denen auch Materialdiskontinuitäten und die nicht konstante Rück- biegung des Ausgangsmaterials 1 nach dem Entlasten des Umformstempels 2 nach jedem Umformvorgang gehören, führt dadurch bei der bisherigen Herstellungsweise leicht zu Ausschuss, der aufgrund der großen Materialmengen und der hohen Kosten des Ausgangsmaterials 1 schnell die Wirtschaftlichkeit der Herstellung derartiger gekrümmter Körper 1 ^' in Frage stellt.

Bei der erfindungsgemäßen Regelung des Herstellungsverfahrens lassen sich derartige Fehler weitgehend vermeiden, zumindest aber rechtzeitig erkennen und dadurch im weiteren Herstellungsprozess korrigieren.

Die Erfindung soll insbesondere die automatisierte, inkrementelle Rohrfertigung unter Anwendung einer sequentiellen Prozessregelungsstrategie ermöglichen. Im Folgenden wird der Ablauf einer derartigen Rohrfertigung mit Prozessregelung als ein bevorzugtes und besonders anschauliches Beispiel in Form eines einfachen Ablaufschemas dargestellt, aus dem die grundsätzliche Idee deutlich hervorgeht und sich dann auf andere Umformungen übertragen lässt:

1. Fertigungsvorbereitung a. Auftragsannahme (Halbzeugbeschreibung (Geometrie, Werkstoff), Zielgeometrie, Anzahl der Folgebiegungen) b. Aufstellung einer Biegeradius-Stempeleintauchtiefe-Beziehung mittels der Finite Elemente-Analyse (FEA)

2. Fertigung mit sequentieller Prozessregelungsstrategie a. Biegung mit berechneter bzw. korrigierter Stempeleintauchtiefe durchführen b. Bestimmung der Ist-Kontur eines Rohrendes c. Bestimmung des Biegeradius der folgenden Biegung d. Falls letzte Biegung i. Ja

1. Sprung zu Punkt 2.e. ii. Nein

1. Berechnung der korrigierten Stempeleintauchtiefe

2. Sprung zu Punkt 2.a, e. ENDE

In der Auftragsannahme werden dem Automatisierungssystem alle notwendigen Daten zugeführt. Dazu gehören u.a. eine Halbzeugbeschreibung des Ausgangsmaterials 1 (Geometrie, Werkstoff), die geforderte Zielgeometrie und die Anzahl der Folgebiegungen.

Zur Bestimmung der Stempeleintauchtiefe für die erste Biegung und zur Korrektur der Stempeleintauchtiefe für darauf folgende Biegungen wird eine Biegeradius- Stempeleintauchtiefe-Beziehung mittels einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) aufgestellt. Die Biegeradius-Stempeleintauchtiefe-Beziehung wird als Metamodell bezeichnet. Basis der Aufstellung des Metamodells ist der notwendige Biegeradius, der sich aus der Zielgeometrie und der Anzahl der Folgebiegungen ergibt. Für diesen Biegeradius und für eine definierbare Anzahl kleinerer bzw. größerer Radien werden unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) die dazugehörigen Stempeleintauchtiefen bestimmt. Das Metamodell wird z.B. in einer Datenbank abgelegt.

Mit dem Ausgangswert bzw. der korrigierten Stempeleintauchtiefe wird die Biegung durchgeführt. Das Ergebnis der Automatisierung hängt maßgeblich von der Genauigkeit der Blechpositionierung ab. Während der Korrekturalgorithmus davon ausgeht, dass die Mittelpunkte der Biegeradien genau relativ zu den jeweiligen Abschnitten des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten Blechstruktur zu liegen kommen, kann es in der Realität zu Abweichungen kommen. Diese Abweichungen würden während des Fertigungsprozesses dazu führen, dass der Korrekturalgorithmus die Berechnungen mit falschen Daten durchführt und somit das Rohr nicht maßgerecht gefertigt werden kann.

Um sicherzustellen, dass die ermittelten Soll-Biegeradien an den richtigen Positionen der Blechstruktur 1 angebracht werden, soll wie in Figur 2 am Beispiel eines teilgerundeten Rohres dargestellt ein z.B. optischer Sensor 5 zur Konturvermessung der Stirnseite einer Blechstruktur 1 ^' verwendet werden. Dabei wird durch Markierungen 9, die auf dem Umformstempel 2 angebracht sind, eine Gerade gelegt und der Abstand zwischen der Geraden und der aktuellen Markierung 11 auf dem Ausgangsmaterial 1 bzw. der teilgerundeten Blechstruktur 1 ^' bestimmt. Ist dieser Abstand größer als ein vorher definierter Schwellenwert, so bedarf es einer erneuten Positionierung der Blechstruktur relativ zu dem Umformstempel 2. Ist dies nicht der Fall, so ist der teilgerundete Körper 1 ^' ausreichend genau positioniert und der Umformstempel 2 kann abgesenkt werden. Die Positionierung des teilgerundeten Körpers 1 ^' findet durch den Maschinenbediener oder eine nicht dargestellte Positioniereinheit statt. Im manuellen Falle bekommt der Maschinenbediener durch den Korrekturalgorithmus die Anweisungen, in welche Richtung die teilgerundete Blechstruktur 1 ^' bewegt werden muss und wann die teilgerundete Blechstruktur 1 ^' die richtige Lage relativ zu Umformstempel 2 und Auflagern 3 erreicht hat, so dass der Umformstempel 2 in Umformrichtung 7 um die berechnete Stempeleintauchtiefe abgesenkt werden kann.

Die Erfassung der Ist-Kontur des Ausgangsmaterials 1 oder der teilgerundeten Blechstruktur 1 ^' kann sowohl mit einer berührungslosen als auch mit einer taktilen Konturvermessung erfolgen. Die optische Vermessung z.B. mittels einer Kamera 5 kann dabei anhand grundsätzlich bekannter Verfahren vorgenommen werden, bei denen aus den Pixelinformationen eines Bildes der Kamera 5 von der Stirnfläche der teilgerundeten Blechstruktur 1 ^' der Kantenverlauf berechnet und mit dem Sollwert verglichen wird. Derartige Verfahren sind aus der optischen Messtechnik grundsätzlich bekannt. Ausgehend von der Ist-Kontur kann ein entsprechender Korrekturfaktor für die folgenden Biegungen ermittelt werden. Aus der aufgenommen Ist-Kontur kann die Abweichung zur Soll-Kontur berechnet werden. Die Korrektur dieser Abweichung kann mittels zweier Alternativen erfolgen:

Alternative 1 :

Die Abweichung wird mit der folgenden Biegung komplett kompensiert. Dazu wird die Abweichung mit dem Biegeradius der folgenden Biegung verrechnet.

Alternative 2:

Die Abweichung wird bis zu einer definierten Abweichung entsprechend der Alternative 1 komplett in der nächsten Biegung kompensiert. Wird die definierte Abweichung jedoch überschritten, erfolgt die Kompensation über mehrere der folgenden Biegungen verteilt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßigere Kontur zu erwarten. Das genaue Schema der Verteilung kann entsprechend der Umformungsfähigkeit des Materials sowie der Umformgeometrie bestimmt werden.

Die Stempeleintauchtiefe für den ermittelten Biegeradius der nächsten Biegung wird mittels des Metamodells bestimmt. Dieses wird zu Beginn durch die FEA aufgestellt und während der Fertigung werden die vorhandenen Stützstellen des Metamodells durch neue Stützstellen erweitert oder ergänzt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich das Metamodell an die aktuelle Umformsituation dynamisch anpasst und damit neben der Maßhaltigkeit des umzuformenden Körpers 1 ^' auch die Genauigkeit des Modells verbessert wird. Um Schwankungen zwischen einzelnen Chargen des zu verformenden Materials zu kompensieren, werden bei jedem Chargenwechsel die Stützstellen des Metamodells nacheinander durch neue Stützstellen ersetzt, sodass alte Stützstellen lediglich als Ausgangswerte für die ersten Berechnungen innerhalb einer neuen Charge verwendet werden. Aufgrund der beschriebenen Vorgehensweise, können bei der Ermittlung der ersten Eintauchtiefen größere Abweichungen zwischen den Soll- und Ist-Biegeradien auftreten. Die Ursache dieser Abweichungen kann in der Initialisierung des Metamodells angesehen werden. Die Genauigkeit der FEM-Simulation wird maßgeblich durch die allgemeine Abweichung einer Simulation und zusätzlich durch die Abweichung innerhalb der Materialbeschreibung beeinflusse Während der Fehler aus der FEM-Simulation toleriert werden muss, kann eine abweichende Materialbeschreibung bei der Ermittlung der Eintauchtiefe berücksichtigt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann bei der Verwendung einer Materialbeschreibung ein Faktor definiert werden, der angibt, wie genau die vorliegende Materialbeschreibung das verwendete Halbzeug beschreibt. Ist die Materialbeschreibung als genau definiert, so kann eine aufgetretene Abweichung auf die Materialschwankungen innerhalb des Halbzeuges zurückgeführt werden. In diesem Fall kann das Metamodell ohne Einschränkungen verwendet werden, da keine großen Fehler bei der Berechnung der Stützstellen des Metamodells zu erwarten sind. Treten Abweichungen bei Verwendung einer ungenauen Materialbeschreibung auf, kann dies auf die unzureichende Materialbeschreibung zurückgeführt werden. In diesem Fall muss das Metamodell in der Anfangsphase angepasst werden, da die Stützstellen, die für die Initialisierung des Metamodells verwendet wurden, erwartungsgemäß einen hohen Fehler enthalten.

Die Erfindung beschreibt eine Erweiterung des bekannter Freibiegeprozesse wie etwa der JCO-Prozesse oder anderer Umformprozesse insbesondere dickwandiger Bleche um eine Regelungsstrategie und eine vorzugsweise berührungslose Onlinemessung der erreichten Zwischenstadien der durch die inkrementelle Umformung gekrümmten Bauteile 1.

In den Figuren 3a-3p ist in Form eines Stadienplanes der grundsätzliche Ablauf einer derartigen Umformung zu erkennen, bei der ein ursprünglich ebenes Ausgangsmaterial 1 durch die inkrementelle Umformung in inkrementellen Umformzonen 12 in seinen Querschnitt immer mehr einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt entsprechend umgeformt wird. Dies ist ein einfaches Beispiel für ein Produkt, das mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren unter Einbeziehung der Modellbildung und der laufenden Erfassung der hergestellten Zwischengeometrien sowie der adaptiven Berücksichtigung der Messwerte wesentlich genauer und sicherer als bisher hergestellt werden kann. Sachnummernliste

Ausgangsmaterial

gekrümmte Blechstruktur

Umformstempel

Rollenauflager

Umformabschnitt Umformstempel

optischer Sensor

Sichtbereich optischer Sensor

Umformrichtung

verdrehte Position Ausgangsmaterial oder gekrümmte Blechstruktur

Markierung Umformstempel

Markierung Rollenauflager

Markierung gekrümmte Blechstruktur

Umformzone