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EFB-Forschungsbericht Nr. 553

Relevanzanalyse zur Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung in Tiefziehprozessen mit geschlossenem Profil

efb-553

Verfasser:
Dipl.-Ing. Rémi Lafarge, M.Sc. Usama Ahmed, Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius, Professur für Formgebende Fertigungsverfahren am Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität DresdenDipl.-Ing. Matthias Lenzen, M.Sc. Manuel Jäckisch, Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

120 Seiten (sw, 52 teils farbige Abb., 12 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-610-4

Preis (Digital) EUR 62,00

Preis (Print) EUR 78,00

Zusammenfassung

In diesem Forschungsprojekt wird ein kinematischer Indikator entwickelt, der auf der Basis einer isotropen FE-Simulation den möglichen Fehler aufgrund der Nichtbeachtung der kinematischen Verfestigung während des Umformprozesses ermittelt.

Dieser Indikator kann in frühen Machbarkeitsstudien eingesetzt werden, ohne dass die notwendige Werkstoffcharakterisierung im Vorfeld durchgeführt werden muss. Auf diese Weise können das Produkteinführungsrisiko und die Entwicklungskosten minimiert werden.

Im vorliegenden Projekt wird der Einfluss nichtlinearer Dehnpfade mit Hilfe von Tiefzieh- und Streifenzugbiegeversuchen untersucht. Anschließend werden die komplexen nichtlinearen Dehnpfade mit Hilfe eines an der Professur Formgebende Fertigungsverfahren, TU Dresden, entwickelten Indikators analysiert, wobei die experimentellen Ergebnisse mit dem Indikator verglichen werden, der den Einfluss des Modells der kombinierten Verfestigung im Gegensatz zum rein isotropen oder kinematischen Materialmodell vorhersagt.

Um das angestrebte Ziel zu erreichen, ist das laufende Projekt in drei Teile gegliedert. Zunächst werden Experimente für zwei verschiedene Tiefziehverfahren und das Streifenzugbiegeverfahren durchgeführt. Diese Prozesse werden dann in LS-DYNA mit verschiedenen Verfestigungsgesetzen simuliert, die ein vollständig isotropes, ein kombiniertes und ein vollständig kinematisches Materialmodell umfassen.
Die in den Experimenten gemessenen geometrischen Eigenschaften werden dann mit verschiedenen simulierten Verfestigungsmodellen verglichen.

Anschließend wird der Einfluss der kinematischen Verfestigung mit Hilfe eines analytischen Indikators analysiert, der die Bereiche zeigt, die am stärksten von der kinematischen Verfestigung beeinflusst werden und der auch den Unterschied der Zielwerte als Ergebnis des isotropen und kombinierten Verfestigungsgesetzes anzeigt. Die in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten und Ergebnisse umfassen:

  • Extrahieren der geometrischen Parameter, die Biegewinkel für U-Profil-Proben, Biegeradius für streifenzugbiegeumgeformte Proben und Blechdicke für Kreuznapf-Proben umfassen, zum Vergleich mit drei verschiedenen Verfestigungsgesetzen;
  • Untersuchung des Einflusses der kinematischen Verfestigung als Folge eines nichtlinearen Dehnungsweges mit Hilfe eines analytischen Indikators.

Die FE-Simulationen zeigen, dass die aus dem Modell des kombinierten Verfestigungsmaterials extrahierten Ergebnisse den experimentellen Ergebnissen für Tiefzieh-, Streifenzugbiege- und Kreuznapf-Proben weitaus näherkommen.

Darüber hinaus ist es mit den Indikatorberechnungen gelungen, die Bereiche vorherzusa-gen, die anfällig für eine Beeinflussung durch die kinematische Verfestigung sind. Solche Regionen werden durch höhere bzw. niedrigere Werte des kinematischen Indikators repräsentiert.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Relevanzanalyse zur Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung in Tiefziehprozessen mit geschlossenem Profil" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19973BG 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. 553 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In this research project, a kinematic indicator is developed that on the basis of isotropic FE-simulation determines the possible error due to the non-observance of the kinematic hardening during the forming process.

This indicator can be applied in early feasibility studies without the need for the necessary material characterization in advance. In this way the product launch risk and development costs can be minimized.

In the present project, impact of nonlinear strain paths is investigated by means of deep drawing and streifenzugbiege (strip tensile bending) experiments.

It is then followed by analyzing the complex nonlinear strain paths by means of an indicator developed at Professur Formgebende Fertigungsverfahren, TU Dresden, comparing the experimental results with the indicator predicting the influence of mixed hardening material model as opposed to purely isotropic or kinematic material model.

To achieve the desired goal, the current project is divided into three parts. To begin with, experiments are conducted for two different deep drawing processes and streifenzugbiege process. These processes are then simulated in LS DYNA with different material models that include fully isotropic, a mixed hardening law and a fully kinematic hardening law.
The geometrical properties measured from the experiments are then compared with various simulated hardening models.

It is followed by analyzing the influence of kinematic hardening by means of an analytical indicator that shows the parts that are most influenced by the kinematic hardening and also shows the difference in target values as a result of isotropic and mixed hardening law. The objective derived from this project includes:

  • Extracting the geometrical parameters that include bending angles for U-profile samples, bending radius for strip tensile bending deformed samples and sheet thickness for cross die samples for comparison with three different hardening laws;
  • Investigating the influence of the kinematic hardening as a result of nonlinear strain path by means of an analytical indicator.

The FE simulations show that results extracted from the mixed hardening material model comes far closer to the experimental results for deepdrawing and strip tensile bending samples.

Furthermore, the indicator calculations successfully predict the regions that are more and less prone to be influenced by kinematic hardening. Such regions are represented by higher and lower values of kinematic indicator respectively.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Bauschinger-Effekt
2.1.1 Darstellung des Phänomens
2.1.2 Mikrostruktureller Ursprung des Bauschinger-Effekts
2.1.3 Einstellung und Quantifizierung des Bauschinger-Effekts
2.2 Verfestigungsmodelle
2.2.1 Isotrope Verfestigung
2.2.2 Kinematische Verfestigung
2.2.3 Kombinierte Verfestigung
2.3 Indikator zur Bewertung des Einflusses der kinematischen Verfestigung
2.3.1 Kinematischer Einflussindikator in der Literatur
2.3.2 Analytischer kinematischer Einflussindikator
2.3.3 Numerischer kinematischer Einflussindikator
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Charakterisierung von Werkstoffkennwerten
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Versuche zur Ermittlung von Werkstoffkennwerten
4.2.1 Zugversuch
4.2.2 Hydraulischer Tiefungsversuch
4.2.3 Zug-Druck-Versuch
4.3 Fließverhalten im uniaxialen Zugversuch
4.4 Charakterisierung der äqui-biaxialen Fließspannung
4.5 Charakterisierung der kinematischen Verfestigung im Zug-Druck-Versuch
5 Erarbeitung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung von Werkstoffkennwerten unter Lastrichtungswechsel
5.1 Einflussanalyse der Geometrieparameter auf die resultierende Dehnungsverteilung
5.2 Vorgehensweise zur Werkstoffcharakterisierung mit dem zweistufigen hydraulischen Tiefungsversuch und zur Analyse der kinematischen Verfestigung
5.3 Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung und Herausforderungen für die Charakterisierung von Fließkurven unter Lastrichtungsänderung
6 U-Profil-Tiefziehprozess
6.1 U-Profil-Tiefziehversuche
6.1.1 Versuchsdurchführung und -ergebnisse
6.2 Numerische Abbildung des U-Profil-Umformprozesses
6.2.1 Simulationsergebnisse und Vergleich
6.3 Leistungsfähigkeit des Indikators
7 Streifenzugbiegeprozess
7.1 Versuchsdurchführung und -ergebnisse
7.2 Numerische Simulation SZBV und Ergebnisvergleich
7.2.1 Simulationsergebnisse und Vergleich
7.3 SZBV Leistungsfähigkeit des Indikators
8 Kreuznapfversuche
8.1 Numerische Abbildung des Kreuznapf-Tiefziehens
8.1.1 Simulationsergebnisse und Vergleich
8.2 Leistungsfähigkeit des Indikators für den Fall Kreuznapf
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis