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EFB-Forschungsbericht Nr. 227

Systematische Untersuchung zur Verbesserung der Rückfederungsberechnung bei der Methodenüberprüfung mittels numerischer Simulation

EFB227.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil., Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer, Dr.-Ing. Wolfgang Heidl, Dr.-Ing. Eberhard Pausch, Dr.-Ing. Detlef Michael, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

129 Seiten (sw 71 teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-184-0

Preis (Digital) EUR 83,00

Preis (Print) EUR 93,10

Zusammenfassung

Die exakte Vorausbestimmung von Rückfederungseffekten an Blechformteilen mittels numerischer Simulationsmethoden hat bisher nur zu Teilerfolgen geführt und ist eine hochaktuelle Problematik bei der Werkzeugauslegung und –anpassung für Blechumformprozesse.

Für eine weitere Erhöhung der Qualität, Stabilität und Vergleichbarkeit von FE-Rechnungen zur Rückfederung wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens systematische Untersuchungen zur Vorgehensweise bei der Modellbildung und zur Wahl simulationsinterner Parameter durchgeführt, wobei als Bauteil ein gebogenes Hutprofil mit gekrümmter Längsachse verwendet wurde. Hierfür wurde ein modulares Biege-Werkzeug entwickelt, konstruiert und gebaut, mit dem dann entsprechende Musterteile gefertigt wurden.

Die vergleichenden Untersuchungen zwischen Rechnung und Experiment erfolgten für die Werkstoffe DP600, H320LA und AlMg4,5Mn0,4 sowie für variierende Werkzeug- und Verfahrensparameter beim Hutprofil-Biegen. Es wurden die Varianten Biegen mit Niederhalter und Gegenhalter sowie ohne Gegenhalter betrachtet. Weiterhin wurden bei den Untersuchungen der Matrizenradius sowie die Niederhalter- und Gegenhalterkraft verändert.

Die FE-Rechnungen wurden mit der verfügbaren Simulations-Software PAM-STAMP (Version 2001) durchgeführt. Das entwickelte Versuchsprogramm für die Berechnungs-abläufe beinhaltete die Einflussgrößen Elementtyp (Belytschko-Tsay, Belytschko-Wong-Chiang), Integrationsordnung (5 und 9 Integrationspunkte über die Blechdicke), Werkzeug-Geschwindigkeit (2 m/s, 5 m/s und 10 m/s), Dämpfung (Dämpfungsfaktoren d = 0,05 / 0,1 / 0,5), Netzfeinheit (unterschiedliche Elementgröße und Anzahl der Verfeinerungsstufen) und Lagerungsbedingungen.

In den betrachteten Variationsbereichen war vor allem bezüglich der Erhöhung der Netzfeinheit ein signifikanter Einfluss auf das Rückfederungsergebnis aus der Simulation zu verzeichnen.

Weitere Einzel-Untersuchungen erfolgten hinsichtlich des Vergleiches von Restart- und Rezone-Rechnung, zur Elementanzahl über einen Radius und zum Abklingverhalten der kinetischen Energie während der Rückfederung. Beispielhaft wurden die Simulations-ergebnisse zur Rückfederung auch mit einer AutoForm-Rechnung und einer FE-Simulation mit der neuen PAM-STAMP-Version „2G“ vergleichend gegenübergestellt.

Auf der Grundlage der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen konnten somit Empfehlungen zur Vorgehensweise und der Parameterwahl bei der FE-Simulation des Umform- und Rückfederungsprozesses mit PAM-STAMP abgeleitet und vorgeschlagen werden. Für die Simulation des Rückfederungsvorganges wird eine explizite Restart-Rechnung favorisiert, wobei aber auch eine explizite Rezone-Rechnung als alternative Variante einsetzbar ist (jeweils bezogen auf PAM-STAMP, Version 2001).

Für die zukünftige Rückfederungs-Simulation in der Blechumformung wird mit Sicherheit die neue PAM-STAMP-Version „2G“ immer mehr Bedeutung erlangen. Bei ihrer Anwendung wird empfohlen, eine implizite Rezone-Rechnung durchzuführen, die einen erheblichen Rechenzeitgewinn ermöglicht.

Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden, dass mit der angewandten Vorgehensweise rückfederungsbedingte geometrische Abweichungen qualitativ richtig berechnet werden können (Richtung/Tendenz der Rückfederung). Hingegen bestehen quantitativ nach wie vor noch merkliche Unterschiede zwischen Simulation und Experiment. Es ist davon auszugehen, dass wesentliche Ursachen hierfür in einer noch nicht ausreichenden Kenntnis und Beschreibung des Materialverhaltens sowie Abbildegenauigkeit der realen Prozesse (Werkzeugkontur, Verfahrensbedingungen, Maschineneinflüsse) zu suchen sind, die Gegenstand künftiger Forschungsprojekte sein sollten beziehungsweise bereits sind.

Das Forschungsvorhaben „Systematische Untersuchungen zur Verbesserung der Rückfederungsberechnung bei der Methodenüberprüfung mittels numerischer Simulation“ wurde unter der Fördernummer AiF 13085BR 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. 227 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Ziel des Forschungsvorhabens
4 Analyse und Vergleich von FEM-Rechnungen zur Rückfederung bei Blechformteilen
4.1 Beschreibung der Vorgehensweise bei der Simulation(mit PAM-STAMP)
4.2 Darstellung bisheriger FE-Simulationsrechnungen an ausgewählten Praxisteilen
4.3 Simulationsrechnungen für ein Demonstratorteil „B-Säulen-Verstärkung“
5 Versuchswerkzeug zum Hutprofilbiegen
5.1 Werkzeugkonstruktion
5.2 Funktion und Aufbau des Biege-Werkzeuges
6 Experimentelle Untersuchungen
6.1 Versuchswerkstoffe
6.2 Ermittlung von Werkstoffkenngrößen und Fließkurven
6.3 Versuchseinrichtung und Fertigung von Musterteilen
6.4 Vermessung von Hutprofil-Biegeteilen
6.5 Vergleich der gemessenen und berechneten Blechdickenverteilung an gebogenen  Hutprofilen
6.6 Beispielhafter Vergleich der Formänderungsverteilung am Hutprofil aus Simulation  und Experiment
7 FEM-Simulation des Umform- und Rückfederungsprozesses beim Hutprofil-Biegen
7.1 Entwicklung eines Versuchsprogrammes für die FE-Berechnungsabläufe
7.2 Versuchs-Matrix für die FE-Simulationsrechnungen
7.3 Simulationsmodell Hutprofil-Biegen
7.4 Simulationsrechnung zum Hutprofil-Biegen nach Erfahrungswerten
7.5 Einfluß ausgewählter Simulations-Parameter auf das Berechnungsergebnis zur  Rückfederung
7.5.1 Solver
7.5.2 Elementtyp und Anzahl der Integrationspunkte über die Blechdicke
7.5.3 Netzfeinheit
7.5.4 Werkzeug-Geschwindigkeit
7.5.5 Dämpfungsfaktor
7.5.6 Lagerungsbedingungen
7.5.7 Vergleich von Restart- und Rezone-Rechnung
7.6 Abschätzung des Einflusses des Verfestigungsverhaltens eines Werkstoffes auf das  Simulationsergebnis zur Rückfederung
7.7 Einfluß der Werkzeuggeometrie und von Verfahrensparametern auf das Hutprofil- Biegen - Vergleich von Simulation und Experiment
7.7.1 Einfluß der Niederhalterkraft
7.7.2 Einfluß der Gegenhalterkraft
7.7.3 Einfluß des Matrizenradius
7.8 Ergänzende Betrachtung für den Werkstoff H320LA
8 Berechnungsempfehlungen für die FE-Simulation von Blech-Umformvorgängen mit  Rückfederungseffekten
8.1 Schlußfolgerungen zur Rückfederungs-Simulation (mit PAM-STAMP)
8.2 Empfohlene Algorithmen für die Simulation von Blechumformvorgängen mit  Rückfederungseffekten
9 Zusammenfassung
10 Literaturverzeichnis