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EFB-Forschungsbericht Nr. 211

Vorausbestimmung und Beeinflussung der Grenzziehverhältnisse beim Tiefziehen von Dünnblech im Weiterschlag

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Roland Müller, Dr.-Ing. Frank Schirmacher, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

72 Seiten (Sw 68 Abb., 10 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-167-3

Preis (Digital) EUR 36,00

Preis (Print) EUR 40,70

Zusammenfassung

Für die Ermittlung des Grenzziehverhältnisses als ein Kriterium für die Urformbarkeit bestehen für den Feinblechbereich jahrzehntelange umfangreiche Erfahrungen. Die Untersuchung der Übertragbarkeit auf den Dünnblechbereich (Blechdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm) sowohl auf dem experimentellen Gebiet als auch für die Berechnung und Voraussage war die Aufgabe des vorliegenden Forschungsvorhabens.

Die Projektziele lassen sich wie folgt zusammenfassen :

  • Experimentelle Ermittlung der Grenzziehverhältnisse für typische Materialklassen (Tiefziehstähle, Edelstähle, Aluminium) im Dünnblechbereich (0,1 bis 0,5 mm)
  • Untersuchung von Ansätzen aus dem Schrifttum zur Vorausbestimmung des Grenzziehverhältnisses;

Dabei sollen insbesondere der Ansatz nach Chakrabarty und die Lösung nach Herold/Doege Berücksichtigung finden.

  • Weiterentwicklung/Anpassung eines Ansatzes auf Basis der beiden o.g. und den Besonderheiten im Dünnblechbereich
  • Verifikation und Kontrolle Vorausberechnung mit Hilfe exemplarischer FEM-Simulationen
  • Erarbeitung von Optimierungsmöglichkeiten zur Erhöhung des Grenzziehverhältnisses

Insgesamt wurden ca. 3500 Versuche durchgeführt. Diese Anzahl teilt sich in 2100 Näpfchenziehversuche zur Bestimmung des Grenzziehverhältnisses, einschließlich der bei hohen Geschwindigkeiten, und 1400 Grund- oder Basisversuche zur Kennwertermittlung auf. Insgesamt wurden 24 Materialien untersucht. Im Ergebnis der Experimente kann zusammengefasst werden, dass Verfestigungsverhalten und Formänderungsvermögen mit der Blechdicke variieren, eine eindeutige Abhängigkeit aber nicht erkennbar ist und die Ursache der Unterschiede offenbar in der Vorbehandlung der einzelnen Werkstoffe zu suchen ist. Für das Grenzziehverhältnis wird das Sinken mit fallender Blechdicke bei gleichbleibender Werkzeuggeometrie ebenso wie die Dominanz des Anschlagzuges bestätigt. Weiterhin zeigt sich die Zunahme des Oberflächeneinflusses und damit der Reibung bei abnehmender Blechdicke.

Generell kann festgehalten werden, dass die bewährten experimentellen Verfahren aus dem Feinblechbereich auch im Dünnblechbereich erfolgreich angewendet werden können. Das gilt für die Versuche zur Kennwertermittlung (Zugversuch, Grenzformänderungsdiagramm) ebenso wie für die zur Ermittlung des Grenzziehverhältnisses (Näpfchenziehversuch). Allerdings muss angemerkt werden, dass die Versuchsdurchführung zunehmend an ihre technisch realisierbare Grenzen stößt, je geringer die Blechdicke wird.

Für die Voraussage wurde sich für ein Kennwerte-basierendes Konzept, dass ohne verfahrensgebundene Versuche oder spezielle Zusatzexperimente auskommt, entschieden. Umfangreiche Auswertungen zu den aus dem Schrifttum bekannten Ansätzen sowie denen von Chakrabarty und Herold/Doege führten zu einem Modell, das auf dem letztgenannten Ansatz aufbaut. Da Werkzeuggeometrie und –bewegung die Grundlage zur Ermittlung der Formänderungen darstellen, gehen sie als wichtige Einflussgrößen neben den Materialeigenschaften in die Berechnung des Grenzziehverhältnisses ein. Das Grenzziehverhältnis wird auf Basis einer Bilanz zwischen der in der Zarge übertragbaren und der für den Umformvorgang erforderlichen Kraft ermittelt. Der Versagenszeitpunkt ist durch das Einsetzen der plastischen Instabilität, dem Stempelkraftmaximum bestimmt. Als Versagensort wird in Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen der Auslauf des Stempelkantenradius festgelegt. Als Versagenskriterium wird ein Spannungskriterium herangezogen (Zugfestigkeit). Die Erweiterungen betreffen die Berücksichtigung der transversalen Anisotropie, die Modellierung der Formänderungen sowie die anwenderfreundliche Umsetzung in eine einfache Optimierungsumgebung. Dies wurde für den Anschlagzug in einem Excel-Tabellenblatt realisiert. Der Vergleich zwischen berechneten und experimentell ermittelten Grenzziehverhältnissen zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung.

Ausgehend von dieser abgesicherten Versuchsbasis wurden prototypisch Möglichkeiten zur Beeinflussung und Optimierung der Grenzziehverhältnisse durch gezielte Parametervariation aufgezeigt.

Das Forschungsvorhaben „Vorausbestimmung und Beeinflussung der Grenzziehverhältnisse beim Tiefziehen von Dünnblech im Weiterschlag“ wurde unter der Fördernummer AiF 12892BR 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. 211 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Formelzeichen
0. Einleitung
1. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung; Motivation
2. Stand der Technik
3. Arbeitsschwerpunkte und prinzipielle Vorgehensweise
3.1 Versuchsprogramm
3.2 Versuchseinrichtunge
4. Versuchsergebnisse
4.1 Basisversuche
4.2 Versuchsergebnisse Anschlagzug
4.3 Versuchsergebnisse Weiterschlag
5. Anschlagzug-Berechnung der Ziehkraft mit elementaren Methoden
5.1. Geometrie
5.2 Berechnung der momentanen Durchmesser
5.2.1 Berechnung des Flanschaußendurchmessers über die momentanen Flächenanteile
5.2.2 Krageneinzug
5.3 Berechnung der Umformgrade
5.3.1 Tangentialer Umformgrad
5.3.2 Berechnung radialer Umformgrad
5.3.3 Berechnung des Vergleichsumformgrades
5.4 Berechnung der Ziehkraftanteile
5.4.1 Ideelle Ziehkraft
5.4.2 Reib- und Biegeanteile
5.5 Lösungsvergleich
5.5.1 Vergleich analytische Lösung mit experimentellen Ergebnissen
5.5.2 Vergleich mit Simulationsergebnissen
5.5.3 Vergleich mit anderen Lösungen
5.6. Berechnung des Grenzziehverhältnisses
6. Vorausbestimmung Grenzziehverhältnis Anschlagzug
6.1 Vergleich Voraussage-Experiment
6.2 Variation von Einflussgrößen
6.3 Optimierungsmöglichkeiten
7. Weiterschlag
7.1 Grundlagen, Berechnungsmodell
7.2 Ergebnisvergleich Voraussage-Experiment
8. Zusammenfassung
Literaturverzeichnis