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EFB-Forschungsbericht Nr. 251

Verbesserung der Umformeigenschaften von schwer umformbaren Werkstoffen durch lokal vorinitialisierten Wärmeeintrag

EFB251.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Sören Scheffler, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr. rer.nat. Reinhart Poprawe M.A., Dipl.-Phys. Gilbert Vitr, Fraunhofer- Institut für Lasertechnik, Aachen

99 Seiten (sw 68 Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-211-3

Preis (Digital) EUR 44,00

Preis (Print) EUR 49,20

Zusammenfassung

Im Rahmen des Projektes wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:

1) Ermittlung geeigneter Verfahrensparameter an folgenden Werkstoffen:

  • * MS-W 1200
  • * DP 600
  • * DP 1000
  • * CP-W 1000
  • * Trip 700 (RA-K)
  • * Trip 700 (RA-W)
  • * DC 05 (kalt nachgewalzt 30 bzw. 60%)
  • * DX 54 (kalt nachgewalzt 30 bzw. 60%)
  • * ZSTE 340 (kalt nachgewalzt 30 bzw. 60%)
2) Verfahrenstechnik

Die Laserstrahlbehandlung erfolgte mit einer Bearbeitungsoptik mit Temperaturregelung. Die Kalibrierung der Temperaturregeleinheit erfolgte durch Temperaturmessungen mit Thermoelementen an Probeblechen. Durch Wärmeleitungsrechnungen wurde eine Zuordnung zwischen Stellgrösse der Temperaturregelung und den Temperaturen an der Blechoberseite an den nicht verzinkten Werkstoffen (ca. 700 - 880°C) und an dem verzinkten Werkstoff DP 600 (ca. 360 - 650°C) ermittelt. Die Beabeitungstemperaturen liegen in einem Bereich, der Anlasseffekte, Phasenumwandlung oder Rekristallisation bewirkt.

3) Gefüge und mechanische Eigenschaften

Die signifikantesten Gefügeänderungen werden beim Werkstoff MS-W 1200 beobachtet. Hier ist der Ferritanteil nach der Laserbehandlung deutlich erhöht. Bei den Trip-, DP- und CP-Stählen wird der Restaustenitanteil verringert und der Martensit angelassen. An den Tiefziehstählen DC, DX und ZSTE wird bei angepassten Parametern eine vollständige Rekristallisation erzielt.

Die Härtemessungen an den laserstrahlbehandelten Werkstoffen zeigen bei MSW-1200 und den Tiefziehstählen eine deutliche Reduzierung (ca. 30 - 50 %), die mit den Gefügeumwandlungen korreliert. Bei den Dualphasen-, TRIP- und Complexphasenstählen fällt die Reduzierung der Härte geringer aus (ca. 0 - 30 %). Auch dies korreliert mit den Gefügeänderungen.

Die Zugversuche zeigen (mit Ausnahme der TRIP-Stähle und teilweise am DP 600) für alle Werkstoffe eine Reduzierung der Dehngrenze und der Zugfestigkeit, sowie eine Erhöhung der Gleichmaßdehnung. Der Restaustenitanteil beim TRIP-Stahl wurde i.d.R. reduziert.

4) Behandlung verzinkter Bleche

Bei der Behandlung von verzinkten Blechen treten teilweise Oxidation und Beschädigungen auf. Eine eindeutige Zuordnung von Oxidation und Beschädigung zu den Beschichtungsverfahren oder den Zinkschichtdicken der verschiedenen Werkstoffe war im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen nicht möglich und ist Gegenstand eines geplanten Folgeprojektes.

5) Umformversuche

Die im Projekt durchgeführte Prozessführung zur Behandlung von Platinen für Umformversuche führt zu signifikanten Verzügen. Durch eine verbesserte Technologie der Wärmeeinbringung (Zweistrahltechnik, Reihenfolge der Behandlung, Minimierung der behandelten Flächen) sollen Maßhaltigkeit und Formgenauigkeit bei der Behandlung von Platinen ebenfalls in dem geplanten Folgeprojekt verbessert werden.

In umformtechnischen Versuchen konnte durch Gesenkbiegeversuche die Reduzierung der Rückfederungswinkel um bis zu 2° durch vorinitialisierten Wärmeeintrag gegenüber dem Originalzustand der Werkstoffe für DP 600, DP 1000 und RA-W 700 nachgewiesen werden. Eine Ausnahme bilden hier der CPW 1000 mit geringer Reduzierung und der MSW 1200 mit gegenläufiger Tendenz.

Mit dem Werkzeug "Hutprofil" gelang der Nachweis der aus der Simulation bereits bekannten Reduzierung der notwendigen minimalen Stößelkraft für die Umformung von DP 1000, MSW 1200 und RAW 700 um bis zu 20% durch vorinitialisierten Wärmeeintrag. Für CPW 1000 kann lediglich eine Reduzierung der Stößelkraft von ca. 2 % erzielt werden.

Abschließend wurde an einem Demonstrator (B-Säule, DP 600) die Verbesserung der Umformeigenschaften durch einen lokal vorinitialisierten Wärmeeintrag in kritischen Bereichen des Bauteils nachgewiesen. Risse, die bei unbehandelten Blechen auftreten, konnten durch einen verbesserten Umformgrad in diesen Zonen eliminiert werden.

Der Nachweis zur Verbesserung der Eigenschaften am Bauteil B-Säule, Reduzierung der Rückfederung (Maßhaltigkeit), Senkung der Umformkraft und Verbesserung der Umformeigenschaften konnte wegen der Komplexität des Bauteils noch nicht erbracht werden. Dies soll in dem geplanten Nachfolgeprojekt zu einem zentralen Arbeitspunkt werden.

6) Simulation

Die Rückprojektion der Flächen mittels Simulation liefert für die Praxis brauchbare Ergebnisse, die nur unwesentlich in der Lage am ausgeformten Bauteil abweichen. Im Hinblick auf eine flächenmäßige Reduzierung dieser Zone ist hier allerdings eine vertiefende Arbeit zu leisten. Dies gilt besonders unter dem Aspekt, dass die durchgeführten Simulationen für einfache 2D-Werkzeuggeometrien ausgeführt wurden.

Ein weiteres Ergebnis der Simulation und der damit verbundenen Kennwertermittlung aus dem Zugversuch sind die sehr guten Resultate, die hinsichtlich Reduzierung der Kaltfließspannung und der Erweiterung der Gleichmaßdehnung erzielt wurden. Die Senkung der notwendigen minimalen Umformkraft wurde ebenfalls in der Simulation nachgewiesen.

Das Forschungsvorhaben "Verbesserung der Umformeigenschaften von schwer umformbaren Werkstoffen durch lokal vorinitialisierten Wärmeeintrag" wurde unter der Fördernummer AiF 13879BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 251 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Ausgangssituation
2 Stand der Forschung
2.1 Stand der Forschung
2.2 Ergebnisse der Literaturrecherche
3 Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten
3.1 Arbeiten ILT
3.2 Arbeiten IWU
4 Festlegung der Werkstoffe
5 Durchgeführte Arbeiten ILT
5.1 Versuchsaufbau
5.1.1 Laserstrahlquellen
5.1.2 Spannvorrichtung
5.1.3 Handhabungssystem
5.1.4 Bearbeitungskopf mit integrierter Temperaturmessung und -regelung
5.2 Strahlkaustik und Leistungsdichteverteilung der verwendeten Optik
5.3 Parametervariation
5.4 Beurteilungskriterien für die Wirksamkeit der Laserstrahlbehandlung
5.5 Versuchsergebnisse ILT
5.5.1 Kalibrierung Temperaturmessung (Korrelation Blechtemperatur und
Sollwert US)
5.5.2 Bearbeitung von Proben für die Ermittlung von Härte,
Gefügeumwandlung, mechanische Eigenschaften und für Umformversuche
5.5.3 Untersuchungen an Zinkschichten
5.5.4 Untersuchung Verzüge
5.5.5 Herstellung von Proben für die Ermittlung mechanischer Kennwerte und
für Umformversuche am IWU
5.6 Demonstratorbauteil
6 Durchgeführte Arbeiten IWU
6.1 Simulation
6.1.1 Geometrie des Simulationsmodells
6.1.2 Simulationsmodell
6.1.3 Simulationsmodell mit Bereichen mit Wärmeeintrag
6.1.4 Ergebnisse
6.2 Ermittlung der mechanische Kennwerte
6.2.1 Herstellung der Zugproben
6.2.2 Kennwertermittlung aus dem einachsigen Zugversuch
6.2.3 Fließkurven aus dem einachsigen Zugversuch
6.2.4 Maxi-Bulge-Test
6.3 Technologische Umformversuche
6.3.1 Untersuchungen zur Rückfederung
6.3.2 Untersuchungen zur Umformkraft
6.4 Demonstrator
6.4.1 Zuschnitt, Rückprojektion und Berasterung
6.4.2 Versuchsdurchführung
6.4.3 Versuchauswertung
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
9 Literaturverzeichnis