Efficient Numerical Methods for Tool Optimization in Cold Forging
Final Report Abstract
Als Ergebnis dieses Forschungsprojektes liegen neuartige effiziente Simulationswerkzeuge sowie ein ganzheitlicher methodischer Prozess zur belastungsgerechten Auslegung und Optimierung von Werkzeugen für die Kaltmassivumformung vor. Eine Evaluierung der neu entwickelten FEM/FSM-Simulationsmethodik anhand eines Modellproblems zeigte, dass bei gleichbleibender Abbildungsgenauigkeit durch die FEM/FSM-Simulationsmethodik die Rechenzeit zur Aufstellung der Steifigkeitsmatrix unabhängig von der Anzahl der Freiheitsgrade des Problems signifikant um den Faktor 11,3 gegenüber der FEM/BEM-Simulationsmethodik reduziert werden konnte. Gegenüber dem konventionellen FEM-Modell konnte eine Reduzierung der Rechenzeit um den Faktor 2,3 erreicht werden. Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass die FEM/BEM-Simulationsmethodik eine zeiteffiziente Berechnungsmethode zur präzisen Vorhersage der mechanischen Werkzeugbelastungen für einen Querfließpressprozess mittels gekoppelter, dreidimensionaler Modellierung des gesamten Werkzeugsystems darstellt. Damit wurde das Ziel dieses Projektes erreicht, durch eine intelligente, numerische, iterative Werkzeugauslegung zum einen die Lebensdauer von Werkzeugen für die Kaltmassivumformung und zum anderen die Bauteilgenauigkeit deutlich zu steigern. Die wesentliche Neuerung liegt in der Entwicklung von effizienten gekoppelten Methoden zur Berechnung der Werkzeugbelastungen durch ihre elastische Modellierung unter Berücksichtigung der Interaktion zwischen Prozess und Maschine sowie in der numerischen Kompensation von Bauteilabweichungen infolge von Werkzeugdehnungen. Durch eine Integration der neu entwickelten gekoppelten Berechnungsmethoden in eine Methodik zur automatischen Werkzeugoptimierung kann trotz der hohen Anzahl an iterativen Optimierungsschritten die zeiteffiziente Berechnung der optimierten Werkzeuggeometrie realisiert werden.
Publications
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Automobilindustrie, Verschleißschutz, Oberflächentechnik. Ressourceneffiziente Fertigung von Tiefziehwerkzeugen. Entwicklung und Optimierung von Fertigungsverfahren zur Erhöhung der Ressourceneffizienz. In: Werkstattstechnik online. 102 Jg., 2012, Nr. 6, S. 402–409
Klocke, F.; Heinen, D.; Andrecht, D.; Arntz, K.; Vieten, H.; Zymla, C.; Dambon, O.; Schongen, F.; Bäcker, V.; Feldhaus, B.
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FEM/BEM- Simulation eines Kaltmassivumform-prozesses. Zeiteffiziente und präzise Berechnung von Werkzeugbelastungen durch gekoppelte FEM/BEM-Simulation. In: Werkstattstechnik online. 102 Jg., 2012, Nr. 10, S. 678–683
Klocke, F.; Schongen, F.; Trauth, D.; Rjasanow, S.; Fleck, M.; Grzhibovskis, R.
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Time-efficient and precise tool load determination for a lateral extrusion process by coupled FEM/BEM simulation. In: Proceedings of 9th International Tooling Conference, TOOL 2012. Leoben, Austria: 11.-14. September 2012. Knittelfeld, Austria: Gutenberghaus, 2012, S. 543–550
Schongen, F.; Klocke, F.; Bäcker, V.; Feldhaus, B.
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Wear protection of tools by local geometry and material optimization. In: Proceedings of 9th International Tooling Conference, TOOL 2012. Leoben, Austria: 11.-14. September 2012. Knittelfeld, Austria: Gutenberghaus, 2012, S. 613–620
Klocke, F.; Heinen, D.; Schongen, F.; Arntz, K.; Bäcker, V.; Feldhaus, B.
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Innovative Surface Technologies for Optimized Tooling. In: Proceedings of 7th International Conference and Exhibition on Design and Production of MACHINES and DIES/MOLDS. Antalya, Turkey, 20.-23. Juni 2013, S. 255–261
Klocke, F.; Andrecht, D.; Heinen, D.; Arntz, K.; Dambon O.; Schongen, F.
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Time-efficient and precise FEM/BEM simulation of a cold forging process verified by tool load determination. In: Key Engineering Materials. 554-557. Jg., 2013, S. 317–327
Schongen, F.; Klocke, F.; Mattfeld, P.; Rjasanow, S.; Fleck, M.; Grzhibovskis, R.
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FEM/BEM simulation of cold forging process considering press-tool-workpiece interaction. In: Procedia Engineering, 2014, 81 Jg., S. 2403–2408
Schongen, F.; Klocke, F.; Mattfeld, P.; Rjasanow, S.; Grzhibovskis, R.
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Wear production of deep drawing tools by systematic optimization of highly stressed surfaces. In: Advanced Materials Research. 907 Jg., 2014, S. 439–453
Klocke, F.; Heinen, D.; Schongen, F.; Arntz, K.; Liu, Y.; Bäcker, V.; Feldhaus, B.
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A New Fundamental Solution Method Based on the Adaptive Cross Approximation. In: Memoirs on Differential Equations and Mathematical Physics 2015, 65 Jg., S. 93–111
Fleck, M.; Grzhibovskis, R.; Rjasanow, S.
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Numerical shape optimization of cold forging tools by means of FEM/BEM simulation. In: International Journal of Material Forming. 9 Jg., 2016, S. 1–11
Klocke, F.; Ozhoga-Maslovskaja, O.; Schongen, F.; Feuerhack, A.; Trauth, D.
