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EFB-Forschungsbericht Nr. 469

Verbesserung der zeitlichen Auswertemethoden von Versuchen zur Ermittlung der Grenzformänderung und Ableitung eines virtuellen Ersatzmodells

efb469

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, M.Sc. Emanuela Affronti, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg – Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. David Jocham, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München

86 Seiten (sw, 52 teils farbige Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-520-6

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 65,00

Zusammenfassung

Die ISO 12004-2 [ISO 12004-2] beschreibt die Aufnahme von Grenzformänderungsdiagrammen (GFD). Im GFD sind die Grenzformänderungen verschiedener Belastungszustände aufgetragen, woraus sich eine Grenzformänderungskurve (GFK) ergibt. Die GFK dient als Bewertungskriterium hinsichtlich der Umformbarkeit der Blechbauteile. Der Versuchsaufbau zur Aufnahme der GFK besteht aus einer taillierten Probe, welche zwischen einem Niederhalter und einer Matrize geklemmt wird, und durch einen halbkugelförmigen oder flachen Stempel bis zum Bruch verformt wird.

Der Versuch wird mittels optischen Messsystemen aufgezeichnet und die Dehnungen anhand digitaler Bildkorrelation berechnet. Beim Überschreiten der Gleichmaßdehnung konzentrieren sich die auftretenden Formänderungen in lokalen Bereichen, die bei fortschreitender Umformung zuerst zur Einschnürung, das heißt zur Lokalisierung der Dehnungen, und anschließend zum Riss des Bauteils führen.

Die ISO 12004-2 gibt dem Anwender viele Freiheiten hinsichtlich der Versuchsdurchführung. Die örtliche (positionsabhängige) Auswertemethode, die sogenannte Schnittlinienmethode, ist zur Bestimmung der Grenzformänderung unter Verwendung verschieden taillierter und nicht taillierter Proben vorgegeben.

Diese Methode zeigt bei modernen Leichtbauwerkstoffen Schwächen durch eine instabile Prognose [MERK10a] und ist bei Werkstoffen mit mehreren gleichzeitig auftretenden parallelen Dehnungslokalisierungen nur bedingt anwendbar [ISO 12004-2].

Gegenstand der Forschung sind neue Auswertemethoden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Umformhistorie. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde die zeitliche Auswertemethode nach Volk und Hora [VOLK11a] hinsichtlich Robustheit und Vorhersagegenauigkeit untersucht.

Des Weiteren wird die Sensitivität der resultierenden Ergebnisse bei Prüfung von verschiedenen Werkstoffklassen im zulässigen Rahmen der ISO 12004-2 für den Anwender aufgezeigt, wodurch eine bessere Interpretation der Ergebnisse ermöglicht wird. Numerisch sowie analytisch bestimmte Grenzformänderungskurven zeigten bei geeigneter Wahl der Materialbeschreibung eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen und stellen somit eine sinnvolle Ergänzung zum Experiment da.

Die Formänderungsanalyse am Beispiel eines Demonstrators zeigte abschließend, dass die Grenzformänderungskurve auf Basis der zeitlichen Auswertemethode eine robuste Prozessgrenze darstellt.

Das IGF-Vorhaben „Verbesserung der zeitlichen Auswertemethoden von Versuchen zur Ermittlung der Grenzformänderung und Ableitung eines virtuellen Ersatzmodells" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18351N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 469 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

For the evaluation of the maximum formability of sheet metal the Forming Limit Curve (FLC) is used. The experimental procedure and evaluation strategies are standardize in the ISO 12004-2 [ISO 12004-2]. Herein a specimen, which is clamped between a blankholder and a die, is deformed by a spherical or flat punch until fracture occurs. The forming operation is recorded with an optical measurement system using digital image correlation (DIC).

The strains are calculated based on the data of the DIC. The forming operation can be divided into three significant stages. First a stage of homogenous strain distribution, second a stage of diffuse necking and finally a stage of local instability, which ends with the fracture of the specimen. For the design of complex sheet metal parts local instability is not permitted, due to a significant loss of stiffness and strength. When the uniform elongation is exceeded, the resulting strains are concentrated in local areas, which lead to necking and localization until a crack occurs. The ISO 12004-2 gives the user a lot of freedom in regard to the test execution.

The local (position-dependent) evaluation method, the so-called cross section method, is used to determine the Forming Limit Curve using different waisted and non-waisted sam-ples. This method shows weaknesses in the case of modern lightweight materials due to an unstable prognosis [MERK10a], as well as in non-applicability in materials, which show several simultaneous and parallel localizations [ISO 12004-2]. The object of the research project is the development of a new evaluation methods based on the forming history. In the context, the application of the time dependent method according to Volk and Hora [VOLK11a] is used, which has been implemented in the evaluation software Aramis of GOM GmbH [GOM].

In addition, the sensitivity of the resulting strains by testing according to ISO 12004-2 is observed. This enables a better interpretation of the test results. Numerical as well as analytically determined Forming Limit Curves show a good agreement with the experimental results and display a meaningful addition. Therefore a sufficient material description is necessary. The forming analysis of a demonstrator proofs that the Forming Limit Curve determined by the time dependent evaluation method is a robust process limit.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Verzeichnis der Kurzzeichen
Verzeichnis der Abkürzungen
Abbildungen
Tabellen
1 Einleitung
2 Grundlagen und Stand der Technik
2.1 Versuchsdurchführung nach ISO 12004-2
2.2 Auswertemethoden
2.2.1 Örtliche Auswertemethode nach ISO 12004-2
2.2.2 Zeitliche Auswertemethode
2.3 Materialcharakterisierung
3 Zielsetzung
4 Vorgehensweise
5 Versuchsanlagen und Messeinrichtungen
5.1 Versuchsanlagen und -durchführung
5.1.1 Zugprüfmaschine
5.1.1.1 Zugversuch
5.1.1.2 Ebene Dehnung Versuch
5.1.1.3 Hydraulischer Tiefungsversuch
5.1.2 Blechprüfmaschine
5.1.2.1 Nakajima-Versuch
5.1.2.2 Marciniak-Versuch
5.1.2.3 Erichsen-Versuch
6 Versuchswerkstoffe
6.1 DX54D
6.2 DP800
6.3 AA6016
6.4 AA5182
7 Versuchsergebnisse
7.1 Ergebnisse aus dem Zugversuch
7.2 Ergebnisse aus dem hydraulischen Tiefungsversuch
7.3 Grenzformänderungskurven
7.4 Sensitivität der Prozessparameter
7.4.1 Facettengröße
7.4.2 Stempelgeschwindigkeit
7.5 Sensitivität der Auswerteparameter
7.5.1 Anpassung an Aufnahmefrequenz
7.5.2 Identifikation des letzten Bildes vor Riss
7.6 Korrektur der Grenzformänderungskurve
7.6.1 Korrektur der Biegung
7.6.2 Korrektur der biaxialen Vordehnung
8 Analytische und numerische Ergebnisse
8.1 Numerische Abbildung des Nakajima-Versuchs
8.1 Sensitivität der Probengeometrie
8.2 Ableitung eines Ersatzmodells
8.3 Analytische Bestimmung der Grenzformänderung
9 Validierung der Erkenntnisse mittels eines Demonstrators
10 Versuchs- und Auswerterichtlinien
10.1 Allgemein
10.2 Duktile Tiefziehstähle
10.3 Hochfeste Stähle mit eingeschränkter Duktilität
10.4 6000 Aluminiumlegierungen
10.5 5000 Aluminiumlegierungen
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
11.2 Aussagen zur industriellen Umsetzung der Ergebnisse
12 Literaturverzeichnis