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EFB-Forschungsbericht Nr. 562

Reduzierung der Kantenrissempfindlichkeit durch Nachschneiden

efb-562

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Isabella Pätzold, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München

124 Seiten (sw, 72 teils farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-619-7

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 86,00

Zusammenfassung

Die Kantenrissempfindlichkeit schergeschnittener Bauteilkanten stellt die blechverarbeitende Industrie vor große Herausforderungen. Im Fertigungsprozess auftretende Kantenrisse reduzieren die Wirtschaftlichkeit sowie Prozesssicherheit in hohem Maße.

Das Nachschneiden stellt in diesem Zusammenhang ein Präzisionsschneidverfahren dar, welches es ermöglicht, durch einfache, kostengünstige Anpassungen im Werkzeug das Restumformvermögen an der Schnittkante deutlich zu steigern und somit die Kantenrissneigung zu senken.Zur bestmöglichen Ausschöpfung des Potentials des zweistufigen Scherschneidprozesses ist es jedoch notwendig, die Prozessparameter auf die gegebene Schnittliniengeometrie, den Blechwerkstoff sowie die Blechdicke abzustimmen.

Anhand unterschiedlicher Kantenrissprüfverfahren (Lochzugversuch, Edge-Fracture-Tensile-Test) ist es möglich, die Kantenrissempfindlichkeit an verschieden stark gekrümmten Schnittlinien zu ermitteln. Modular aufgebaute Scherschneidwerkzeuge ermöglichen dabei auch die Variation einer Vielzahl von beeinflussenden Parametern wie Schneidspalt, Nachschneidzugabe oder Schneidkantenradius.

Innerhalb des Forschungsprojektes wurden für den Dualphasenstahl DP800 als auch den Edelstahl 1.4301 praxisorientierte mehrdimensionale Regressionsmodelle auf Basis experimenteller Daten erarbeitet. Diese ermöglichen anhand von Falschfarbendiagrammen oder mit Hilfe eines Matlab-Tools die Auswahl eines Prozessfensters, welches es erlaubt, Bauteile auch unter Berücksichtigung von Verschleiß prozesssicher herstellen zu können.

Die Regressionsmodelle bieten außerdem die Möglichkeit, bereits im simulativen Auslegungsprozess das Restumformvermögen abschätzen und für kritische Bereiche angepasste Nachschneidparameter festlegen zu können, um Bauteile im Hinblick auf die Entstehung von Kantenrissen frühzeitig abzusichern.

Weiterhin wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, welches einen zweistufigen Scherschneidprozess mit sehr hoher Genauigkeit virtuell abbilden kann. Die Ausprägung der Schereinflusszone wurde zum quantitativen Vergleich der Prozessparametervariationen anhand von unterschiedlichen Kenngrößen beschrieben.

Der Vergleich der experimentell und simulativ ermittelten Ergebnisse führte dazu, dass Korrelationen gebildet werden konnten, die es nun im Nachgang ermöglichen, mit Hilfe der Finiten Elemente Simulation angepasste Nachschneidparameter ohne hohen experimentellen Versuchsaufwand zu ermitteln.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Reduzierung der Kantenrissempfindlichkeit durch Nachschneiden" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19978N 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. 562 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The sensitivity of shear-cut component edges to edge cracking confronts the sheet metal processing industry with major challenges. Edge cracks occurring in the manufacturing process reduce the profitability and process stability to a high degree.

In this context, two-stage shear cutting represents a precision cutting process which makes it possible to significantly increase the residual forming capacity at the shear cut edge by simple, cost-effective adjustments in the tool and thus to reduce the tendency to edge cracking.

However, in order to maximize the potential of the two-stage shear cutting process, it is necessary to adjust the process parameters to the given cutting line geometry, the sheet material and the sheet thickness.

Using different edge crack testing methods (open hole tensile test, edge fracture tensile test), it is possible to determine the edge crack sensitivity on cutting lines with different degrees of curvature. Modular shear cutting tools also allow the variation of a large number of influencing parameters such as die clearance, cutting offset or cutting edge radius.

Within the research project, practice-oriented multidimensional regression models were developed for the dual-phase steel DP800 as well as for the stainless steel 1.4301 on the basis of experimental data.

With the aid of false-color diagrams or a Matlab tool, these models make it possible to select a process window that allows components to be manufactured reliably even when wear is taken into account.

The regression models also offer the possibility of estimating the residual deformation capacity already in the simulative design process and of defining appropriate two-stage shear cutting parameters for critical areas in order to secure components at an early stage with regard to the development of edge cracks.

Furthermore, a simulation model was developed which can virtually reproduce a two-stage shear cutting process with very high accuracy. The characteristics of the shear affected zone were described using different parameters for quantitative comparison of the process parameter variations.

The comparison of the experimentally and simulatively determined results led to the formation of correlations, which now make it possible to determine adapted two-stage shear cutting parameters with the aid of finite element simulation without a high level of experimental effort.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Scherschneiden
2.1.1 Aufbau eines Scherschneidwerkzeuges
2.1.2 Phasen des Schneidvorgangs und Schneidkraftverlauf
2.1.3 Schnittflächenqualität
2.2 Nachschneiden
2.3 Kantenrisse
2.3.1 Beeinflussende Faktoren
3 Versuchsanlagen, -werkzeuge und Messeinrichtungen
3.1 Versuchseinrichtungen
3.1.1 Mechanische Schnellläuferpresse
3.1.2 Universalprüfmaschine
3.1.3 Blechumformprüfmaschine
3.2 Versuchswerkzeuge
3.2.1 Scherschneidwerkzeug zur Herstellung der Lochzugproben
3.2.2 Scherschneidwerkzeug zur Herstellung der Kantenrisszugversuchsproben
3.3 Messeinrichtungen
3.3.1 Optisches Verformungsanalysesystem
3.3.2 Profilmessgerät
3.3.3 Mikrohärteprüfer
3.3.4 Lichtmikroskop
3.3.5 Digitalmikroskop
4 Versuchsbeschreibung und -durchführung
4.1 Edge-Fracture-Tensile-Test
4.2 Lochzugversuch
5 Werkstoffe
5.1 Blechwerkstoffe
5.1.1 Dualphasenstahl DP800
5.1.2 Edelstahl 1.4301
5.2 Werkzeugaktivelementwerkstoffe
6 Simulation
6.1 Aufbau und Kalibrierung
6.2 Validierung der Nachschneidsimulation
6.3 Auswertemethodik
6.4 Simulationsgestützte Parameteruntersuchung
7 Ergebnisse
7.1.1 Einstufige Voruntersuchungen im Edge-Fracture-Tensile-Test
7.1.2 Einfluss ein- und zweistufiger Beschnitt
7.1.3 Einfluss der Nachschneidzugabe
7.1.4 Einfluss der Schnittlinienkrümmung
7.1.5 Einfluss Schneidkantengeometrie
7.1.6 Einfluss der Blechdicke
7.1.7 Einfluss des Schneidspalts
7.2 Ableitung Regressionsmodell
7.2.1 Dualphasenstahl DP800
7.2.2 Edelstahl 1.4301
8 Korrelation Experiment – Simulation
8.1 Dualphasenstahl DP800
8.2 Edelstahl 1.4301
9 Ergebnis und Ausblick
10 Literatur
11 Anhang