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EFB-Forschungsbericht Nr. 525

Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Weiterverarbeitung von gewalztem Halbzeug durch Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten

efb525

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius, Dipl.-Ing. Christian Steinfelder, Professur für Formgebende Fertigungsverfahren am Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dr.-Ing. Sebastian Herbst, M. Sc. Khemais Barienti, Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover

110 Seiten (sw, 66 teils farbige Abb., 23 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-579-4

Preis (Digital) EUR 60,00

Preis (Print) EUR 75,00

Zusammenfassung

Bei Umform- und Trennprozessen, bei denen gewalzte Bänder oder Bleche eingesetzt werden, spielt die Planheit des Halbzeugs eine wesentliche Rolle. Durch die beim Haspelvorgang der Halbzeuge induzierten Spannungen können nach dem Abwickeln Planheitsfehler auftreten, die Störungen in weiterverarbeitenden Prozessschritten verursachen. Daher werden die Bänder oder Bleche in der Regel plangerichtet bevor diese z.B. durch Stanzen oder Tiefziehen weiterverarbeitet werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die relevanten Ursache-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten in Bezug auf die mechanischen und umformtechnischen Kennwerte sowie auf die Mikrostruktur und die Eigenspannungen untersucht. Dazu wurden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, welche die Halbzeugeigenschaften detailliert über den Prozess hinweg charakterisieren.

Die Untersuchungen erfolgten dabei an verschiedenen Halbzeugen, wie der Aluminiumle-gierung EN AW-6016, dem Warmband S460MC, einem mikrolegierten kaltgewalzten Stahl ZE550 (1.0489) und einem Dualphasenstahl DP800.

Die Richtversuche erfolgten dabei zum Teil auf einer 11-Rollen-Laboranlage am Institut für Werkstoffkunde(IW) in Hannover. Weitere Richtversuche wurden auf Produktionsanlagen bei Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses(PbA) durchgeführt. Zur Analyse der mechanischen Eigenschaften wurden Zugversuche vor und nach dem Richten durchgeführt.

Die Charakterisierung der umformtechnischen Eigenschaften erfolgte mittels Grenzformän-derungskurven und den Ergebnissen aus den Zugversuchen. Des Weiteren wurde die Mik-rostruktur durch Schliffbilder und die Analyse der Kornform vor und nach dem Richten un-tersucht. Zusätzlich erfolgte die Messung der Mikrohärte über die Blechdicke. Diese sollte die Zunahme der Härte durch die Verfestigung des Bleches durch die Wechselbiegungen abbilden.

Durch röntgenografische Eigenspannungsmessungen wurde der Einfluss des Richtens auf die Eigenspannungen untersucht. Bei nahezu allen durchgeführten Untersuchungen konnten wider Erwarten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Lediglich für die Eigenspannungen konnten deutliche Veränderungen detektiert werden. Allerdings nur, wenn vor dem Richten ein hohes Niveau an Eigenspannungen vorhanden war. Bei nur geringen Eigenspannungen im Blech vor dem Richten konnte kein deutlicher Einfluss des Richtens festgestellt werden.

Die experimentellen Untersuchungen wurden dabei durchgängig von Finite-Elemente(FE)-Simulationen begleitet. Dazu erfolgten sowohl Simulationen des kompletten Richtprozesses als auch Detailsimulationen von kleineren Blechabschnitten, um die auftretenden individuellen Phänomene zu analysieren.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Weiterverarbeitung von gewalztem Halbzeug durch Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen beim Planrichten" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19447BG 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. 525 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The flatness of the semi-finished products plays an important role in forming and cutting processes in which rolled strips or sheets are used. Due to the stresses induced during the unwinding process of the semi-finished products, flatness errors can occur after unwinding, which cause failures in further processing steps. Therefore, the strips or sheets are usually levelled before they are further processed, e.g. by stamping or deep drawing. Within the scope of the research project, the relevant cause-and-effect relationships were investigated regarding the mechanical and forming properties as well as the microstructure and the residual stresses.

For this purpose, detailed experimental and numerical investigations were carried out to characterize the semi-finished product properties in detail. The research was done on different semi-finished products, such as the aluminum alloy EN AW-6016, the hot strip S460MC, a micro-alloyed cold-rolled steel (1.0489) and a dual-phase steel (DP800). The levelling experiments were partly performed on an 11-roll laboratory machine at the Institut für Werkstoffkunde(IW) in Hanover.

Further levelling processes were carried out on production lines by members of the project committee. Tensile tests before and after levelling were done to analyze the mechanical properties. The forming properties were analyzed on the basis of forming limit curves and the results of the tensile tests.

Furthermore, the microstructure was examined by micrographs and the analysis of the grain shape before and after levelling. In addition, the microhardness was measured over the sheet thickness. This was intended to show the increase in hardness due to the hardening of the sheet metal caused by alternating bending.

The influence of levelling on the residual stresses was investigated by radiographic residual stress measurements. Contrary to expectations, no significant differences could be found in almost all of the investigations carried out. Only for the residual stresses could significant changes be detected. However, only if a high level of residual stress was present before levelling. With only low residual stresses in the sheet metal before levelling, no clear influence of levelling could be determined. The experimental investigations were continuously supported by finite element analysis (FEA).

For this purpose, simulations of the complete levelling process as well as detailed simulations of smaller sheet metal sections were performed in order to analyze and understand occurring phenomena in detail.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Richtverfahren
2.1.1 Walzrichten(Wechselbiegungen)
2.1.2 Streckbiegerichten (Zugspannungsüberlagerung)
2.2 Beeinflussung von Werkstoffeigenschaften durch das Richtwalzen
2.2.1 Mechanische Eigenschaften
2.2.2 Eigenspannungen
2.2.3 Mikrostrukturelle Veränderungen
2.3 Analytische und numerische Methoden
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Experimentelle Vorgehensweise und Versuchsplanung
4.1 Untersuchte Werkstoffe
4.1.1 Vorauswahl der Werkstoffe für die Richtversuche (IW)
4.1.2 Werkstoffe für Richtversuche am IW
4.1.3 Werkstoffe für Richtversuche im industriellen Umfeld
4.2 Versuchsplanung
4.3 Eingesetzte Verfahren zur Werkstoffcharakterisierung
4.3.1 Metallografie
4.3.2 Mikrohärtemessungen
4.3.3 Eigenspannungsmessungen
4.3.4 Zugversuch
4.3.5 Ermittlung von Grenzformänderungskurven
4.4 Eingesetzte Versuchsanlagen zum Richten
4.4.1 Richtversuche am IW
4.4.2 Richtversuche bei ZF
4.4.3 Richtversuche bei AUDI
5 Prozessmodellierung
5.1 Numerische Abbildung des Richtprozesses
5.2 Halbanalytische Modellierung des Richtprozesses
6 Charakterisierung der Halbzeugeigenschaften vor und nach dem Richten
6.1 Geometrie des Bleches
6.2 Charakterisierung der Halbzeugeigenschaften vor und nach dem Richten
6.2.1 Zugversuch
6.2.2 Ermittlung von Grenzformänderungskurven
6.3 Mikrostruktur
6.3.1 Metallographie
6.3.2 Mikrohärte
6.3.3 Eigenspannungsmessungen
6.4 Zusätzliche Untersuchungen
6.4.1 Napfziehversuch
6.4.2 Zungentest
6.4.3 Wechselbiegeversuche
6.4.4 Externe Zugversuche
7 Zukünftiger Forschungsbedarf
8 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse in KMU
9 Literaturverzeichnis