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EFB-Forschungsbericht Nr. 510

Versagensanalyse unter prozessnaher Vorbelastung durch überlagerte Zug- und Wechselbiegebelastung

efb510

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, M. Sc. Harald Schmid, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

96 Seiten (sw, 52 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-564-0

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Projekts EFB 08/114 „Versagensanalyse Zug-Wechselbiegen" wurde als primäres Ziel das Versagensverhalten von Blechwerkstoffen nach Ziehsickendurchlauf analysiert. Dies dient einer optimierten Aussagefähigkeit zum Formgebungsverhalten, welches durch die Grenzformänderungskurve (FLC „Forming Limit Curve") repräsentiert wird.

Die Vorbelastung infolge einer Ziehsicke führt dabei zu einer überlagerten Zug- und Wechselbiegebelastung. Im Rahmen dieses Projekts wurden drei Werkstoffe im Hinblick auf Ihr Verhalten dazu analysiert: Zum einen die Aluminiumlegierung AA6014, der Tiefziehstahl DC04 sowie der höchstfeste Stahl DP800. Die Nennblechdicke der Werkstoffe betrug s0 = 1 mm.

Nach einer umfassenden Charakterisierung der Werkstoffe, welche zum einen der Erstellung der Fließort- und Fließkurvenmodelle und dem späteren Vergleich mit Sekundärproben diente, wurde das kinematische Verfestigungsverhalten untersucht. Dazu konnten Zug-Druck Versuche durchgeführt und schließlich verschiedene Modelle identifiziert werden, welche im Ein-Element-Test validiert wurden.

Schließlich wurden mit einer am Lehrstuhl modifizierten Anlage Streifenzugversuche mit Ziehsickengeometrie durchgeführt. Dies diente der Einbringung eines Zugspannungs-Wechselbiegezustands und wurde unter Variation verschiedener Faktoren wie dem Niederhalterdruck, der Abziehgeschwindigkeit oder der Geometrie durchgeführt.

Als Zielgrößen wurden die Ausdünnung des Blechs sowie die Auswertung der Rückhaltekräfte verwendet. Zusätzlich wurden anhand dieser Größen die Simulationen validiert. Die simulative Abbildung bietet die Möglichkeit, die Vorbelastung in einer Ziehsicke differenzierter und detaillierter zu analysieren als durch eine rein experimentelle Untersuchung. Gerade der Dehnungsverlauf abhängig der Blechseite ist von großem Interesse.

Nach der Entnahme von Proben aus unterschiedlichen Versuchskonfigurationen wurde eine Werkstoffcharakterisierung an den vorbelasteten Blechen durchgeführt.

Dazu wurde unter anderem der Zug-, der Scherzug- und auch der Plane-Strain-Versuch durchgeführt. Dies dient dem direkten Vergleich der Werkstoffparameter und einer Abschätzung der Versagensgrenze anhand der Bruchdehnungen sowie einer Einflussanalyse. Die Einflüsse der verschiedenen Faktoren können außerdem gegenüber gestellt werden.

Zusätzlich konnte anhand zwei verschiedener Auswertemethoden das Versagensverhalten an belasteten Proben untersucht werden. Hierzu konnte der Zug- und Plane-Strain-Versuch als repräsentativ analysiert werden.

Im letzten Schritt wurde ein Tiefziehwerkzeug als Demonstratorversuch mit Ziehsickeneinsatz aufgebaut, welches unter anderem über modulare Sicken und Matrizen verfügt. Dies dient der Validierung des zuvor bestimmten Versagensverhaltens. Dazu wurde gleichzeitig die Simulation aufgebaut. Eine Validierung der Simulationsmodelle fand anhand des Kraft-Weg-Verlaufs sowie des Versagensverhaltens „Ziehtiefe bis Riss" statt. Dabei zeigten sich geringere Abweichungen, welche unter anderem von der ungenügenden Modellierung der tribologischen Verhältnisse herrühren könnten. Die Untersuchung des tribologischen Verhaltens im Ziehsickendurchlauf ist daher als Ausblick zu geben.

Das IGF-Vorhaben „Versagensanalyse unter prozessnaher Vorbelastung durch überlagerte Zug- und Wechselbiegebelastung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18328N 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. 510 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the project EFB 08/114 "Failure analysis of material superimposed with process caused tensions and alternating bending loads", the objective was the analysis of failure behaviour in deep drawing processes with drawbeads. This investigation will help to opti-mize the significance of the forming limit behaviour which is mainly represented by the "Forming Limit Curve" (FLC). The preloading in a drawbead leads to tension and alternating bending loads. To analyse this, three different sheet materials were used here. The aluminium alloy AA6014, the mild steel DC04 and the dual-phase steel DP800 as a modern representative of high-strength steels. The nominal sheet thickness was set to t0 = 1 mm to guarantee comparability between the materials.

A detailed material characterization was used to implement material parameters in numerical models and for later comparison to preloaded samples. It was followed by the investigation of kinematic hardening, where tension-compression tests were carried out to identify different kinematic hardening models. Afterwards, the models were validated in a numerical one-element-test in LS-DYNA.
Subsequently, an in-house strip drawing test machine was modified to preload sheets in drawbead geometries.

Various factors such as the blank holder pressure, the drawing velocity or the bead geometry were varied. As target values, the sheet thinning and the retention forces were analysed. The simulation models were also validated using those values. The numerical analysis was used here for a more detailed investigation of the preloading in a drawbead. Especially the strain evolution on each side of the blank was analysed in detail.

In addition, test samples of different sheets were cut out to for material characterization after a preloading in the drawbead. Consequently, tensile tests, plane-strain tests and also shear tests were performed. The investigated material parameters were used to compare them to the initial state and to estimate failure behaviour by the fracture strains.

Also, the influence of the different factors on the failure behaviour was analysed. To investigate the failure behaviour more detailed, the tensile and the plane strain geometry were used in combination with two different methods. The analysed failure points were marked in the forming limit diagram and compared to a conventional FLC.

In a last step, a demonstrator tool was designed and built to preload sheet metal in real deep drawing processes. Simulation models are validated by using the force-displacement evolution as well as the forming limit by the drawing depth till failure. The tool is also used to validate the failure behaviour after a drawbead. Smaller deviations between experimental setup and simulations are found out. One reason for this could be the insufficient modelling of tribology of deep drawing processes with drawbeads.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Ziehsicken
2.1.1 Einsatz von Ziehsicken
2.1.2 Form und Verwendung von Ziehsicken
2.1.3 Vorbelastung in einer Ziehsicke
2.2 Grenzformänderungskurve
2.2.1 Ermittlung der Grenzformänderungskurve
2.2.2 Dehnpfadabhängigkeit der Grenzformänderungskurve
2.3 Bewertung Stand der Technik
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Versuchswerkstoffe und Versuchsaufbauten
4.1 Verwendete Werkstoffe
4.1.1 Tiefziehstahl DC04
4.1.2 Höchstfester Stahl DP800
4.1.3 Aluminiumlegierung AA6014
4.2 Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
4.2.1 Zugversuche
4.2.2 Kreuzzugversuche
4.2.3 Scherzugversuche
4.2.4 Plane-Strain-Versuche
4.2.5 Nakajima-Versuche und Grenzformänderungskurve
4.2.6 Streifenzugversuche zur Reibzahlermittlung
4.3 Bestimmung der Materialmodelle
5 Identifikation der kinematischen Verfestigung
5.1 Versuchsaufbau Zug-Druck Versuch
5.2 Modellierung der kinematischen Verfestigung
5.2.1 Bauschinger-Spannungskoeffizient
5.2.2 Modell nach Chaboche-Rousselier
5.3 Beurteilung der Modelle im Ein-Element-Test
6 Analyse der Wechselbiegung im Streifenzugversuch
6.1 Experimenteller Aufbau Streifenzug mit Ziehsicke
6.2 Simulativer Aufbau des Streifenzugs mit Ziehsicke
6.2.1 Simulation in LS-DYNA
6.2.2 Simulation in AutoForm
6.3 Ergebnisse der Streifenzugversuche
6.3.1 Ergebnisse der experimentellen Streifenzugversuche
6.3.2 Ergebnisse der Simulation im Streifenzugversuch
6.3.3 Validierung der Simulationsergebnisse
6.4 Zwischenfazit der Streifenzugversuche
7 Folgeuntersuchung vorbelasteter Blechplatinen
7.1 Charakterisierung vorbelasteter Bleche
7.1.1 Zugversuche nach Vorbelastung
7.1.2 Plane-Strain-Versuche nach Vorbelastung
7.1.3 Scherversuche nach Vorbelastung
7.2 Versagensermittlung anhand Standardversuchen
7.2.1 Versagensanalyse mithilfe der Schnittlinienmethodik
7.2.2 Versagensanalyse mithilfe der Line-Fit Methode
7.2.3 Untersuchung des Versagens vor und nach Ziehsickendurchlauf
7.3 Beurteilung der Vorbelastung in einer Ziehsicke
8 Validierung und Bewertung
8.1 Aufbau des Tiefziehversuchs mit Ziehsicken
8.1.1 Experimenteller Aufbau des Tiefziehwerkzeugs
8.1.2 Numerischer Aufbau des Tiefziehwerkzeugs
8.2 Validierung der Simulationsergebnisse
8.2.1 Validierung anhand der Aluminiumlegierung AA6014
8.2.2 Validierung anhand des Tiefziehstahls DC04
8.2.3 Validierung anhand des höherfesten Dualphasenstahls DP800
8.2.4 Validierung anhand der Blechdicke
8.3 Verschiebung der Versagenspunkte infolge Vorbelastung
8.4 Zusammenfassung der Validierung
9 Anwenderleitfaden
9.1 Simulation des Streifenzugversuchs
9.2 Bestimmung des Restumformvermögens nach Ziehsickendurchlauf
10 Offene Fragen und zukünftiger Forschungsbedarf
11 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
11.1 Nutzung der Forschungsergebnisse in KMU
11.2 Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
12 Literaturverzeichnis