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EFB-Forschungsbericht Nr. 188

Feinschneiden und Umformen von Dickblech aus Aluminiumlegierungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dr.-Ing. Carsten Fritsch, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München, Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dr.-Ing. Frank Schirmacher, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

202 Seiten (sw 136, teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-088-1

Preis (Digital) EUR 102,00

Preis (Print) EUR 114,50

Zusammenfassung

Der Einfluss des Blechwerkstoffes und der Prozessparameter auf die Bauteilequalität beim Feinschneiden anhand von 8 unterschiedlichen Aluminiumknetlegierungen in Blechdicken zwischen 2,0 und 8,3 mm untersucht und mit entsprechenden Bauteilen aus dem Vergütungsstahl Ck 45 verglichen.

Experimentell und mit Hilfe numerischer Simulationsrechnungen konnte nachgewiesen werden, dass die erforderlich Ringzackenkraft, neben der Werkstofffestigkeit und der Ringzackenhöhe sehr davon abhängt, ob nur eine Ringzacke in den Blechwerkstoff eingedrückt wird oder ob zwei gegenüberliegende Ringzacken, die auf der Führungs- und auf der Schneidplatte angebracht sind, in das Blech gepresst werden. Zudem hängt die erforderliche Einpresskraft von der Blechdicke und vom Konturverlauf der Ringzacke ab.

In Abhängigkeit der Legierungsgruppe wurde ein für die Schnittflächenqualität optimaler Schneidspaltbereich und eine ideale Gegenhalterkraft herausgearbeitet. Eine weitere Erhöhung des erreichbaren Glattschnittanteils ermöglichte der Einsatz einer Doppelfase, die sich aus der Annährung einer Schleppkurvenfunktion (sog. Traktrix) durch zwei Geraden ergibt, oder durch die Verwendung einer vergrößerten Fase. Es gelang der Nachweis, dass eine höhere Ringzacke, als sie beim Feinschneiden von Stahl üblich ist, den Fließschervorgang unterstützt und auf diese Weise zu einer Erhöhung der glattgeschnittenen Fläche führt. Dabei konnte gezeigt werden, dass im Hinblick auf einen hohen Glattschnittanteil der Schnittfläche, der Abstand der Ringzacke von der Schnittlinie gegenüber dem Feinschneiden von Stahllegierungen geringfügig verringert werden sollte. Gegenüber der Anordnung der Ringzacke auf der Führungsplatte erhöhten sich bei allen untersuchten Werkstoffen die Glattschnittanteile an den Schnittflächen beim Einsatz einer Anordnung der Ringzacke auf der Schneid- und auf der Führungsplatte. Demnach erscheint bei Aluminiumlegierungen mit erschwerter Feinschneidbarkeit bereits ab Blechdicken um 3 mm ein beidseitiger Einsatz der Ringzacke sinnvoll.

Ein Vergleich der Ergebnisse anhand der feingeschnittenen Aluminiumbauteile mit vergleichbaren Bauteilen aus dem Vergütungsstahl Ck 45 ergab, dass für Bauteile aus Aluminium geringere Schnittgrathöhen, niedrigere Schnittflächenrauheiten und Kanteneinzüge charakteristisch sind. Einschränkungen bezüglich des Einsatzes von Bauteilen aus Aluminium gegenüber Stahlteilen können sich jedoch aufgrund der höheren Schnittflächenkonizitäten sowie höheren Abweichungen der Abmessungen von den Nennmaßen ergeben. Es konnte jedoch begründet werden, warum die Abmessungen der Aluminiumbauteile grundsätzlich über dem theoretischen Nennmaß der Schneidplatte liegen. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine spezielle Wärmebehandlung der Blechwerkstoffe direkt vor dem Schneidprozess bei allen untersuchten aushärtbaren Werkstoffen zu einer Erhöhung der Glattschnittanteile führt.

Die Berechnung des Spannungs- und Deformationszustandes beim Feinschneiden lässt noch keine Aussagen zur Qualität der Schnittfläche zu. Besonders die Vorhersage einer Rissbildung ist nur qualitativ im Vergleich möglich. Dazu sind ausgewählte Parameter in der numerischen Simulation gezielt zu variieren. Eine Ausdehnung der Feinschneidtechnik auf Aluminiumwerkstoffe ist somit möglich.

Das Forschungsvorhaben „Feinschneiden und Umformen von Dickblech aus Aluminiumlegierungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 12410BG 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. 188 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Grundlagen und Stand der Kenntnisse
2.1 Verfahrensprinzip
2.2 Schneidkraft
2.2.1 Schneidkraftverlauf
2.2.2 Schneidkraftbedarf
2.3 Werkstückqualität
2.4 Einflussgrößen auf den Feinschneidprozess
2.4.1 Schneidspalt
2.4.2 Schneidkante
2.4.3 Gegenhalter
2.4.4 Ringzacke
2.5 Werkstoffkundliche Grundlagen
2.5.1 Verfestigungsmechanismen
2.5.1.1 Naturharte Legierungen
2.5.1.2 Aushärtbare Legierungen
2.5.2 Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen
2.5.2.1 Wärmebehandlung der naturharten Aluminiumlegierungen
2.5.2.2 Wärmebehandlung der aushärtbaren Aluminiumlegierungen
2.5.4 Werkstoff- und Zustandsbezeichnungssystem für Al-Knetlegierungen
2.6 Stand der Erkenntnisse bei der Simulation des Feinschneidens
3 Zielsetzung und Aufgabenstellung
4 Versuchseinrichtungen
4.1 Zug- und Druckprüfmaschine
4.2 Presse
4.3 Werkzeug
4.4 Messsysteme Prozessdaten-Erfassung
4.4.1 Kraft- und Wegmesssystem
4.4.2 Betrachtung der Messfehler
4.5 Messsysteme Werkstückqualität
4.5.1 Messung der Schnittflächenkenngrößen und Schnittflächenrauheit
4.5.2 Messung der Bauteilabmessungen und Bauteildurchbiegung
5 Vorgehensweise und Versuchsplan
6 Versuchswerkstoffe
6.1 Auswahl und Bezeichnung der Versuchswerkstoffe
6.2 Prüfung der Versuchswerkstoffe
6.2.1 Chemische Zusammensetzung
6.2.2 Gefügestruktur
6.2.3 Mechanische Kennwerte
7 Versuchsdurchführung
7.1 Numerische Simulation des Feinschneidens von Aluminiumblechen
7.1.1 Modellbildung für die numerische Simulation
7.1.2 Fliesskurven
7.2 Ermittlung der erforderlichen Ringzackeneindrückkräfte
7.3 Schneidversuche
7.3.1 Variation der Gegenhalterkraft
7.3.2 Schneidspaltvariation
7.3.3 Versuche mit wärmebehandelten Halbzeugen
7.3.4 Variation der Schneidkantengeometrie
7.3.5 Variation der Ringzacken
8 Versuchsergebnisse
8.1 Eindrücken der Ringzacke
8.1.1 Numerische Simulation des Eindrückens der Ringzacke
8.1.2 Erforderliche Ringzackenkraft aus Ringzackeneindrückversuchen
8.2 Numerische Simulation des Schneidens
8.2.1 Numerische Simulation des Feinschneidens als ebenes Modell
8.2.2 Numerische Simulation des Feinschneidens als räumliches Modell
8.3 Einfluss der Prozessparameter auf die erreichbare Bauteilqualität
8.3.1 Einfluss von Werkstoff und Blechdicke
8.3.2 Einfluss der Gegenhalterkraft
8.3.3 Einfluss des Schneidspalts
8.3.4 Einfluss der Wärmebehandlung
8.3.5 Einfluss der Schneidkantengeometrie
8.3.6 Einfluss des Abstands der Ringzacke von der Schnittlinie und der Ringzackenhöhe
8.3.7 Einfluss der Ringzackenanordnung
8.3.8 Verifikation der Erkenntnisse anhand der eckigen Bauteilgeometrie
8.3.9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
8.4 Kraftbedarf
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
11.1 Mechanische Kennwerte von Ck 45
11.2 Simulationsergebnisse