Toleranzanalyse komplexer Gussbauteile mittels

stochastischer Simulation der Fertigungseinflsse

Der Technischen Fakultt

der Universitt Erlangen-Nrnberg

zur Erlangung des Grades

Dr.-Ing.

vorgelegt von

Ralf Vo

Erlangen 2011

Als Dissertation genehmigt von

der Technischen Fakultt der

Universitt Erlangen-Nrnberg

Tag der Einreichung: 13. April 2011

Tag der Promotion: 25. November 2011

Dekanin: Prof. Dr.-Ing. M. Merklein

Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. H. Meerkamm

Prof. Dr.-Ing. K. Paetzold

Prof. Dr.-Ing. S. Vajna

Dipl.-Ing. Ralf Vo,Paderborn

Toleranzanalyse komplexer Gussbauteile mittels stochastischer Simulation der Fertigungseinflsse

Kurzinhalt Toleranzanalysen untersttzen die Produktentwicklung bei der Ermittlung der Auswirkungen geometrischer Abweichungen auf die Produktfunktion. Fr die Bauteiltoleranzen als Eingangsparameter dieser Analysen werden dabei in der Regel Annahmen etwa auf Basis von Erfahrungswissen getroffen. Insbesondere in Gieprozessen ist eine realistische Festlegung dieser Werte allerdings sehr schwierig, da die auftretenden Abweichungen von der gewhlten Bauteilgeome-trie, dem Material und dem Fertigungsprozess integrativ abhngen. In dieser Arbeit wird daher ein fertigungsprozessorientierter Ansatz der Tole-ranzanalyse vorgestellt. In diesem werden die Abweichungen in den einzelnen Fertigungsschritten von Gussbauteilen mittels stochastischer Fertigungssimulati-onen ermittelt und in ein Gesamtmodell integriert. Der Ansatz wird am Beispiel eines Zylinderkopfes aus der Automobilindustrie als geometrisch komplexem Gussbauteil umgesetzt. Die Abbildungsqualitten der einzelnen Modelle werden mit Hilfe einer Messreihe der realen Zylinder-kopffertigung eines industriellen Kooperationspartners bewertet. Die Ergebnisse der Arbeit tragen dazu bei, der Vision einer fertigungsgerechten Produktentwicklung insbesondere im Bereich des rechneruntersttzten Tole-ranzmanagements weiter nher zu rcken. Stichwrter: Toleranzanalyse, Virtuelle Produktentwicklung, Fertigungsgerechte Konstrukti-on, CAE, CA-Technik, Finite-Elemente-Methode, Computersimulation, Monte-Carlo-Simulation, Gieen, Zylinderkopf Impressum Copyright: 2012 Ralf Vo Druck und Verlag: epubli GmbH, Berlin, www.epubli.de ISBN 978-3-8442-1865-7

http://www.epubli.de/

Vorwort III

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fr Konstruktionstechnik der Universitt Erlangen-Nrnberg. Das Gelingen dieser Arbeit wurde erst durch die Untersttzung zahl-reicher Personen ermglicht, bei denen ich mich an dieser Stelle recht herzlich bedanken mchte. Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. H. Meerkamm, der meine Arbeit wissenschaftlich betreut hat. Seine stete Frderung und das mir entgegengebrachte Vertrauen haben eine magebliche Rolle beim Gelingen dieser Arbeit gespielt. Bei Frau Prof. Dr.-Ing. K. Paetzold, Leiterin des Instituts fr Technische Pro-duktentwicklung an der Universitt der Bundeswehr in Mnchen, sowie bei Prof. Dr.-Ing. S. Vajna, Inhaber des Lehrstuhls fr Maschinenbauinformatik an der Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg, mchte ich mich fr ihr Interesse an meiner Arbeit und die bernahme der Koreferate bedanken. Des Weiteren danke ich Prof. Dr. K. Meyer-Wegener fr sein Engagement als fachfremder Prfer sowie Prof. Dr.-Ing. S. Wartzack fr die bernahme des Prfungsvorsitzes. Von den gut vier Jahren am Lehrstuhl fr Konstruktionstechnik war ich die ersten dreieinhalb Jahre als externer Mitarbeiter bei einem industriellen Koopera-tionspartner ttig. Whrend dieser Zeit haben mich zahlreiche Kollegen begleitet und gefrdert bzw. durch kritische Diskussionen zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Besonders hervorzuheben sind hierbei C. Glggler, M. Herfter, M. Gottwald, S. Watrin und J. Kiefer. Die Umsetzung dieser Arbeit wre in dieser Form ohne die Untersttzung der Kollegen aus der Gieerei des Kooperationspartners nicht mglich gewesen. Erst durch diese fruchtbare Zusammenarbeit war es mglich, eine so anwendungs- und praxisorientierte Arbeit anzufertigen. Mein besonderer Dank gilt hier R. Koppenhfer, P. Baumgartner, H. Schdel, M. Goerdeler, G. Linke, D. Vitkin, H. Gulde und P. Kaiser.

IV Vorwort

A. Egner-Walter und J. Zimmermann von der Magma GmbH untersttzten meine Arbeit ebenfalls mit der Bereitstellung von Software und Giesimulations-Know-How. Ein besonderer Dank gilt meinen Kollegen am Lehrstuhl fr Konstruktionstech-nik, bei denen ich mich von Beginn an sehr wohl gefhlt habe. Das letzte halbe Jahr meiner Ttigkeit war ich direkt am Lehrstuhl in Erlangen beschftigt. Diese Zeit mchte ebenfalls nicht missen. Speziell erwhnt seien hier die Kollegen der Toleranzgruppe A. Stockinger, J. Stuppy, S. Wittmann, T. Stoll und M. Walter sowie meine netten Brokollegen C. Stber, G. Gruber und H. Krehmer. Weiterhin danke ich denjenigen Studenten, die mit ihren Studien- und Diplomar-beiten die Tiefe der vorliegenden Arbeit erst ermglicht haben. Nennen mchte ich dabei insbesondere T. Breitsprecher, I. Brandt, A. Frankenhauser, M. Stopfer, W. Mhlbauer und A. Wegner. Nicht zuletzt bedanke ich mich bei meiner Lebensgefhrtin Michaela fr die stets verstndnis- und liebevolle Untersttzung. Auch meinen Eltern sei herzlich dafr gedankt, dass sie mich auf meinem Ausbildungsweg stets untersttzt und beglei-tet haben. Mlheim an der Ruhr, im Mrz 2012 Ralf Vo

Inhaltsverzeichnis V

1 Einleitung ..............................................................................................................1

1.1 Motivation.......................................................................................................1

1.2 Problemstellung ..............................................................................................3

1.3 Aufgabenstellung und Gliederung der Arbeit ...................................................5

2 Theoretische Grundlagen und Stand der Technik ...................................................8

2.1 Beschreibung des Untersuchungsgegenstandes ................................................8

2.1.1 Das Fertigungsverfahren Gieen ..............................................................8

2.1.2 Tolerierung von Gussbauteilen ............................................................... 10

2.1.3 Grundlegende Begriffe der statistischen Tolerierung .............................. 12

2.1.4 Fertigungsorientierte Abbildung von Toleranzen .................................... 14

2.1.5 Der Zylinderkopf als exemplarisches komplexes Gussbauteil ................. 17

2.2 Simulation des Fertigungsprozesses von Gussbauteilen ................................. 25

2.2.1 Grundlagen der Strukturmechanik .......................................................... 25

2.2.2 Die Finite-Differenzen-Methode ............................................................ 28

2.2.3 Die Finite-Elemente-Methode ................................................................ 29

2.2.4 Auf finiten Verfahren basierende Simulationswerkzeuge ........................ 30

2.3 Toleranzmanagement in der Produktentwicklung .......................................... 32

2.3.1 Grundlegende Begriffe des Toleranzmanagements ................................. 32

2.3.2 Grafische Verfahren der Toleranzanalyse ............................................... 34

2.3.3 Arithmetische und statistische Toleranzanalyse ...................................... 35

2.3.4 Sampling-Verfahren ............................................................................... 36

2.3.5 Statistische Versuchsplanung ................................................................. 40

2.3.6 Gegenberstellung der vorgestellten Toleranzanalysemethoden ............. 43

2.3.7 Toleranzanalyse auf Bauteilebene .......................................................... 43

2.3.8 Verfahren der mehrstufigen Toleranzanalyse .......................................... 44

2.3.9 Simulationsintegration in der Toleranzanalyse von Baugruppen ............. 46

2.3.10 Softwarewerkzeuge der Toleranzsimulation ........................................... 47

3 Ansatz zur Toleranzanalyse von Gussbauteilen .................................................... 48

3.1 Beurteilung des Standes der Technik ............................................................. 48

3.2 Ableitung eines Handlungsbedarfs ................................................................ 48

3.3 Lsungsansatz zur Toleranzanalyse von Gussbauteilen ................................. 49

3.4 Vorstellung des entwickelten Demonstrators-Zylinderkopfes ........................ 50

4 Analyse von Gestaltabweichungen im Fertigungsprozess eines Zylinderkopfes ... 52

4.1 Vorbereitung der Messreihe .......................................................................... 52

VI Inhaltsverzeichnis

4.1.1 Ziele der Analyse .................................................................................. 52

4.1.2 Festlegung von Messpunkten und von Funktionsmaen ......................... 53

4.1.3 Vorgehen und Stichprobengre ........................................................... 55

4.2 Durchfhrung der Messreihe ........................................................................ 57

4.2.1 Messunsicherheit der verwendeten Messsysteme ................................... 57

4.2.2 Verarbeitung und Aufnahme von Daten ................................................. 59

4.3 Auswertung der Messreihe ..............................................