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EFB-Forschungsbericht Nr. 210

Untersuchungen zur Herstellung von Leichtbauträgerstrukturen aus Tailored Blanks mittels Gleitziehbiegen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Stefan Mütze, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht, Dipl.-Ing. Dietmar Süße, Institut für Festkörpermechanik (IFKM) der Technischen Universität Dresden

109 Seiten (sw 76, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-166-6

Preis (Digital) EUR 74,00

Preis (Print) EUR 83,50

Zusammenfassung

Durch die Untersuchungen des Gleitziehbiegens von Tailored Blanks wurden weitere Grundlagen für die sichere Werkstück- und Prozessauslegung für das wenig verbreitete Profilierverfahren Gleitziehbiegen geschaffen. Mittels seitlich verstellbarer Matrizen können reproduzierbar belastungsangepasste Profile hergestellt werden, die unterschiedliche Querschnitte über der Profillänge aufweisen. Beim Einsatz von Tailored Blanks als Ausgangsmaterial für das Gleitziehbiegen erweitert sich das Anwendungsspektrum der hergestellten Profile um ein Vielfaches.

Im Verlauf der Untersuchungen wurde das Gleitziehbiegen von Tailored Blanks umfassend simuliert. Die seitliche Werkzeugverstellung stellte in der Simulation ein großes Problem in Bezug auf stabile Kontaktbedingungen dar. Durch die Kombination von Kontakten aus dem Crash-Bereich (PAM-CRASH-Kontakt 33) mit PAM-STAMP konnte dieses Problem gelöst werden. Aufwendig ist nach wie vor die Erzeugung der Netzgeometrien bei Tailored Blanks, da diese Werkstückgeometrie für das Gleitziehbiegen mit den Standardvernetzern nur unbefriedigend zu vernetzen ist.

Bei der Simulation des Gleitziehbiegens wurden mehrere Werkzeugstadien untersucht. Zunächst wurden die Matrizen einzeln betrachtet und verschiedene Varianten der Nahtlage berechnet. Um weiter die Qualität der Teile zu verbessern wurde eine Werkzeugentwicklung in mehreren Stufen durchgeführt. Dabei wurde die Tiefe der Matrizen reduziert, um den Kontaktbereich der Werkzeuge mit dem Blech zu verringern, was einer „freien“ Vorwölbung besser entsprechen würde. Mit dieser Werkzeugvariante konnten vollkommen neue Profilgeometrien mit gewölbtem Boden erzeugt werden. Bei der visioplastischen Auswertung ergab sich eine gute Übereinstimmung der durchgeführten Versuche mit den Simulationsrechnungen.

Eine vergleichende Auswertung ist nur an den Biegekanten der Profile sinnvoll, in allen anderen Bereichen sind Dehnungen zu gering oder gar nicht vorhanden. Dabei sind an der Biegekante in allen Richtungen (e1, e2 und e3) nur geringe Deformationen vorhanden. Bei den Experimenten und der Simulationen hat sich gezeigt, dass eine starke Abhängigkeit der Werkstückgeometrie von der Innengeometrie der Matrize vorhanden ist. Je nach „Tiefe“ der Matrize können Werkstücke mit gewölbtem Bodenbereich oder mit gewölbtem Flanschbereich erzeugt werden. Um einen optimalen Ziehspalt zur Umformung von Blechzuschnitten aus Tailored Blanks zu erhalten modifizierte man die bestehende Versuchsanlage.

Es konnten nach der Modifizierung Tailored Blanks unter konstanten Reibbedingungen zu U-Profilen umgeformt werden. Durchgeführte Schmierstoffvariationen ließen weitere grundlegende Erkenntnisse zu. Aufgrund der lokal hohen Flächenpressungen an den Radien des Ziehteiles ist speziell dort mit erhöhtem Verschleiß an den Werkzeugen zu rechnen. Begleitende Simulationen konnten die Versuchsergebnisse bestätigen und ermöglichen eine Vorausberechnung des Umformvorgangs.

Ansatzpunkte für eine Weiterentwicklung des Verfahrens sind beispielsweise die Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffwerkzeugen. Die damit einhergehende weitere Reduzierung der Kosten wirkt sich positiv auf die Attraktivität des Verfahrens aus und begünstigt eine industrielle Umsetzung der Technologie.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Herstellung von Leichtbauträgerstrukturen aus Tailored Blanks mittels Gleitziehbiegen“ wurde unter der Fördernummer AiF 12996B 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. 210 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary


“Experimental Investigations on the Manufacture of Lightweight Supporting Structures out of Tailored Blanks by means of Draw Bending” Investigations on the draw bending of tailored blanks provide new fundamental insights into the safe workpiece and process design of this less-spread profiling
method. By means of sideways adjustable dies, one can manufacture reproducible load adapted profiles which have different cross sections over the length of the profile. Using tailored blanks as starting material for draw bending, the application range of the manufactured profiles is increased considerably.

During the experiments, the draw bending of tailored blanks was extensively simulated. The side adjustment of the tool presented a major problem during the simulation with respect to stable contact conditions. Through a combination of contacts out of the field of crash simulation (PAM-CRASH-contact 33), the problem could be solved by means of PAM-STAMP.

The production of mesh geometries for tailored blanks remains difficult because in draw bending these workpiece geometries can only be insufficiently connected with the standard meshing algorithm.

During the draw bending simulation, several tool stages were being investigated. At first, the dies were considered individually and different variants of the lap position were calculated. To further improve the quality of the parts, the development of the tool was carried out in several stages. The depth of the dies was reduced to decrease the contact area of tool and sheet, which would better correspond to a “free” bending. With this tool variant, entirely new profile geometries with a bent
bottom could be produced.

The visioplastic analysis showed a good accordance of the implemented experiments with simulation calculations. A comparative analysis does only make sense for the bending edges; in all other areas, the extension is too small or does not exist. At the bending edge, only low deformations occur for all directions (e1,e2 and e3).

In the course of the experiments and simulations, it could be shown that the working piece geometry strongly depends on the inner geometry of the die. According to the depth of the die, working pieces with a bent bottom area and a bent flange area can be produced. In order to achieve an optimal drawing gap for forming of sheet steels out of tailored blanks, the existing test machine was modified. After this modification, tailored blanks could be formed into u-profiles under constant friction conditions.

Variation of the lubricant allowed further fundamental insights. Because of the locally high surface pressure at the radii if the drawn part, an increased wear can be expected at just these tool positions. Accompanying simulations could confirm these experimental results and make possible an a priori calculation of the forming process.
Starting-points for a further development of the method could be, for example, the investigation of possible applications of plastic tools. The resulting further reduction of costs makes the method even more attractive and favours an industrial implementation of this technology.

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielstellung
2 Stand der Technik
2.1 Kaltprofile
2.1.1 Einteilung und Anwendung von Kaltprofilen
2.1.2 Herstellverfahren für Kaltprofile
2.1.2.1 Walzprofilieren
2.1.2.2 Abkanten
2.1.2.3 Walzziehbiegen
2.1.2.4 Gleitziehbiegen
2.1.2.5 Sonderverfahren
2.2 FEM in der Umformtechnik
2.3 Experimentell-Theoretische Untersuchungen
2.4 Werkzeug- und Maschinenentwicklung
3 Modifizierung der Anlagentechnik
3.1 Optimierung der Anlagensteuerung
3.2 Entwicklung von Möglichkeiten zur Ziehspaltadaption
3.2.1 Variante der Kunststoffwerkzeuge
3.2.2 Variante der federnd gelagerten Aktivelemente
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Ziehversuche mit längsgeschweißten Tailored Blanks
4.2 Ziehversuche mit quergeschweißten Tailored Blanks
4.3 Ziehversuch mit einem langen Trapezzuschnitt
4.4 Schmiermittelvariationen
4.5 Bewertung der Bauteilqualität
5 Ermittlung der Eingangsdaten für die numerische Simulation
5.1 Bestimmung der Materialparameter
5.2 Bestimmung der Grenzformänderungskurve
5.3 Bestimmung der Reibwerte
5.3.1 Reibwertaufnahme am IFUM
5.3.2 Reibwertaufnahme am IFKM
6 Numerische Simulation
6.1 Beschreibung der durchgeführten Simulationen
6.2 Modellierung von Tailored Blanks
6.3 Simulation unterschiedlicher Werkzeuggeometrievarianten
6.3.1 Ausgangsmatrizengeometrie
6.3.2 Verrundete Matrizengeometrie
6.3.3 Reduzierte Matrizengeometrie
6.3.4 Abgeschrägte, reduzierte Matrizengeometrie
6.4 Simulation unterschiedlicher Tailored Blanks Varianten
6.4.1 Tailored Blanks mit einer Längsnaht
6.4.2 Tailored Blanks mit zwei Längsnähten
6.4.3 Tailored Blanks mit einer Quernaht
6.4.4 Tailored Blanks mit Diagonalnaht
6.4.5 Simulation mit zwei Matrizen in einer Rechnung
7 Visioplastische Auswertungen
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literaturverzeichnis
10 Bildanhang