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EFB-Forschungsbericht Nr. 086

Werkstoffabhängige Bestimmung von Grenzziehverhältnissen für Zugabstufungen

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Verfasser:
Dr.-Ing. Günter Herold, Dipl.-Ing. Matthias Kluge, Lehrstuhl für Umformverfahren der Technischen Universität Chemnitz/Zwickau, Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Klaus Dröder, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover

181 Seiten (Sw 85 Abb., 17 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-010-2

Preis (Digital) EUR 73,00

Preis (Print) EUR 82,40

Schlagworte: Ziehverhältnisse

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Bestimmung des werkstoffabhängigen Grenzziehverhältnisses beim Tiefziehen im Weiterschlag durchgeführt.
ln den experimentellen Untersuchungen wurde das Grenzziehverhältnis im Weiterschlag sowie das in zwei Zügen erreichbare Gesamtziehverhältnis in Abhängigkeit des Ziehverhältnisses aus dem Erstzug sowie des Blechwerkstoffs ermittelt. Dazu wurden die Verläufe der Stempelkraft über dem Ziehweg erfaßt.

Das Tiefziehen im Weiterschlag wurde als die Abfolge von vier charakteristischen Ziehphasen definiert, die unabhängig von den gewählten Versuchsparametern anhand des Kraft-Weg-Verlaufs differenziert werden können. Die Einflüsse der geometrischen Veränderlichen (Ziehverhältnis im Erst- und Weiterzug, Stempelkantenradius, Ziehringradius, Einzugwinkel) sowie der werkstoffspezifischen Kennwerte auf den Kraft-Weg-Verlauf wurden für jede der definierten Ziehphasen qualitativ und quantitativ erfaßt.

Es konnte festgestellt werden, daß im Weiterschlag ein um so größeres Grenzziehverhältnis zu erreichen ist, je kleiner das Ziehverhältnis im Anschlagzug gewählt wird. Weiterhin war eine deutliche Abhängigkeit des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag vom verwendeten Werkstoff zu beobachten. Die maximalen Gesamtziehverhältnisse in zwei Zügen lagen dabei im Bereich von ßges.max=2,48 bis 2,84.

Die experimentell ermittelten Grenzziehverhältnisse wurden den Ergebnissen aus existierenden Berechnungsansätzen zur Ermittlung des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag gegenübergestellt. Es zeigte sich, daß eine hinreichend genaue Vorherbestimmung des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag unter Berücksichtigung des Ziehverhältnisses aus dem Erstzug bisher nicht gewährleistet ist.

Aufgrund der mangelnden Übereinstimmung von berechneten und experimentell ermittelten Grenzziehverhältnissen wurde eine neue Berechnungsbeziehung auf der Basis experimenteller Werte entwickelt, die im Gegensatz zu den bekannten Ansätzen eine Berücksichtigung der Werkstoffabhängigkeit des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag durch Einbeziehung der Werte für die mittlere senkrechte Anisotropie rm, den Verfestigungsexponenten n, die Streckgrenze Rpa.2 sowie die Zugfestigkeit Rm gewährleistet. Für die untersuchten Werkstoffe besitzt der neue Berechnungsansatz im Spektrum ß1=1,5 ... 2,1 eine maximale Abweichung von 4,5%, wobei für den Großteil der berechneten Werte eine Abweichung von weniger als 2,5% ermittelt wurde.

In den theoretischen Untersuchungen wurde ein Verfahren zur rechnerunterstützten Ermittlung des Grenzziehverhältznisses auf Basis der elementaren Plastizitätstheorie entwickelt. Die Berechnung erfolgt unter Nutzung der berechneten Stempelkraft-Weg-Verläufe sowie der an der rißgefährdeten Stelle des Ziehteils maximal übertragbaren Stempelkraft, wodurch der Vergleich zwischen der durch den Umformprozeß erzeugten und der vom Ziehteil an der rißgefährdeten Stelle gerade noch übertragbaren Kraft ermöglicht wird. Zur Berechnung der Stempelkraft über dem Ziehweg wird die vom Stempel auf den Ziehteilboden übertragene und durch die entstehende Zarge in die Umformzone eingeleitete Kraft nach der Art ihres Entstehens in ihren Einzelbestandteilen analysiert. Bezogen auf die gemessene maximale Stempelkraft wird mit dem Rechenmodell im Bereich des Kraftanstiegs bis zum Erreichen des Kraftmaximums eine relative Abweichung von 4% bis 5% erreicht.
Für die Berechnung der maximal übertragbaren Ziehkraft werden drei Methoden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Berechnungsgenauigkeit verglichen.

Bei der ersten Methode wird die maximal übertragbare Ziehkraft mit der Bodenreißkraft gleichgesetzt, die unter Nutzung des empirisch ermittleten Abreißfaktors bestimmt wird. Da der Abreißfaktor anhand der gemessenen Reißkräfte ermittelt wurde, ergibt sich eine sehr gute Berechnungsgenauigkeit Die Übertragbarkeit auf andere mehrstufige Tiefziehprozesse ist dabei jedoch nicht gewährleistet.

ln dem zweiten Ansatz wird die maximal übertragbare Ziehkraft unter den Annahmen berechnet, daß sich die rißgefährdete Stelle des Ziehteils am Übergang zwischen Stempelradius und Ziehteilzarge befindet und an diesem Ort ein ebener Formänderungszustand vorliegt. Im Gegensatz dazu werden bei der Berechnung nach der dritten Methode der tatsächlich vorliegende Formänderungs- und Spannungszustand sowie die Reibbedingungen an der rißgefährdeten Stelle des Ziehteils erfaßt.

Die nach Methode 2 und 3 berechneten Krafte weisen eine mittlere Abweichung von 5,8% bzw. 2,8% von den gemessenen Reißkräften auf. Insbesondere bei Verwendung von Methode 3 kann folglich das Grenzziehverhältnis im Weiterschlag mit einer guten Genauigkeit berechnet werden.

Durch die Simulation der Stempelkraft über dem Ziehweg ist die Auslegung abgesetzter Tiefziehteile möglich, indem der maximale Ziehweg berechnet wird, bei dem die Stempelkraft die maximal übertragbare Ziehkraft übersteigt. ln der Praxis können somit abgesetzte Ziehteile mit einem größeren als dem Grenzziehverhältnis gezogen werden, wodurch die Zahl der erforderlichen Ziehstufen reduziert wird.

Das Forschungsvorhaben „Werkstoffabhängige Bestimmung von Grenzziehverhältnissen für Zugabstufungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 9649B 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. 86 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Formelzeichen
1 Ausgangssituation
2 Zielsetzung
3 Grundlagen zur Bestimmung von Grenzziehverhältnissen
3.1 Tiefziehen im Weiterschlag 1
3.2 Definition des Grenzziehverhältnisses 1
3.3 Beziehungen zur Berechnung von Grenzziehverhältnissen 1
3.3.1 Berechnungsansatz nach Osterburg
3.3.2 Berechnungsansatz nach Siebe/
3.3.3 Berechnungsansatz nach Wolter
3.3.4 Graphisches Verfahren nach Oehler/Kaiser
3.4 Ermittlung des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag anhand der maximalen Stempelkraft
3.4.1 Gesetzmäßigkeiten zur Ermittlung der maximalen Stempelkraft
3.4.1.1 Berechnungsansatz nach Romanowski
3.4.1.2 Berechnungsansatz nach Tschätsch
3.4.1.3 Berechnungsansatz nach Oehler/Kaiser
3.4.1.4 Berechnungsansatz nach Siebe/Beisswänger
3.4.1.5 Berechnungsansatz nach Geleji
3.4.1.6 Berechnungsansatz nach Kotthaus für das Stülpziehen
3.4.2 Berechnung der Abreißkraft
3.4.3 Experimentelle Methoden zur Ermittlung des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag
3.5 Berechnung des Kraft-Weg-Verlaufs unter Nutzung der elementaren Plastizitätstheorie
3.5.1 Analytisches Modell zur Kraftberechnung
3.5.2 Berechnung der momentanen Ziehteilgeometrie
3.5.3 Ermittlung der Formänderungen und Fließspannungen unter Berücksichtigung der beim Tiefziehen auftretenden Blechdickenänderungen
3.5.4 Rechentechnische Umsetzung
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Versuchstechnik
4.1.1 Prüfmaschine
4.1.2 Versuchswerkzeuge
4.1.2.1 Werkzeug für den Erstzug
4.1.2.2 Werkzeug für den Weiterzug
4.1.3 Meßtechnik
4.2 Umfang der Versuchsreihen
4.2.1 Werkstoffe
4.2.2 Variation der Ziehverhältnisse im An- und Weiterschlag
4.2.3 Variation der Stempelkantenradien bei konischem und ebenem Einzug im Weiterschlag
4.2.4 Variation der Ziehringrundung
4.2.5 Variation des Einzugwinkels
4.3 Versuchsdurchführung
4.3.1 Weiterzugversuch
4.3.2 Bestimmung des Niederhalterduckes im An- und Weiterschlag
4.4 Experimentelle Ergebnisse zum Kraft-Weg-Verlauf
4.4.1 Ziehphasen im Weiterschlag
4.4.2 Einfluß des Ziehverhältnisses im Erstzug
4.4.3 Einfluß des Ziehverhältnisses im Weiterzug
4.4.4 Einfluß der Stempelkantenrundung
4.4.5 Einfluß der Ziehringrundung
4.4.5.1 Betrag der Maximalkraft
4.4.5.2 Ziehweg
4.5 Experimentelle Ergebnisse zum Grenzziehverhältnis
4.5.1 Das Grenzziehverhältnis im Weiterschlag in Abhängigkeit des Ziehverhältnisses im Erstzug
4.5.2 Maximales Gesamtziehverhältnis in zwei Zügen
4.6 Vergleich experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse im Weiterschlag mit vorhandenen Berechnungsansätzen
4.6.1 Vergleich experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse mit den Werten nach Osterburg
4.6.2 Vergleich experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse mit den Werten nach Siebel
4.6.3 Vergleich experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse mit den Werten nach Wolter
4.6.4 Vergleich experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse mit den Werten nach Oehler/Kaiser
4. 7 Berechnungsansatz für das werkstoffabhängige Grenzziehverhältnis im Weiterschlag
4.7.1 Funktionale Abhängigkeit des Grenzziehverhältnisses im Weiterschlag vom Ziehverhältnis im Erstzug
4.7.2 Berücksichtigung des werkstoffspezifischen Umformverhaltens
4.7.3 Vergleich theoretisch und experimentell ermittelter Grenzziehverhältnisse im Weiterschlag
5 Berechnung der Grenzziehverhältnisse und Optimierung von Zugabstufungen beim Tiefziehen im Weiterzug
5.1 Modell zur Berechnung der Grenzziehverhältnisse unter Nutzung des Kraft-Weg-Verlaufs und der Bodenreißkraft
5.2 Berechnung der maximal übertragbaren Stempelkraft
5.3 Experimentelle Untersuchungen zum Einfluß der Blechdickenänderung auf die Kraftberechnung beim Tiefziehen
5.3.1 Zielstellung
5.3.2 Erfassung und mathematische Annäherung der Blechdickenverläufe
5.3.3 Untersuchungen zur Bestimmung des Rißortes
5.3.4 Bestimmung der Grenzblechdicke an der rißgefährdeten Stelle des Ziehteils
5.3.5 Berechnung der Formänderungen und des Vergleichsumformgrades
5.3.6 Abschätzung der Reibverhältnisse an der Stempelkante
5.4 Berechnung der Grenzziehverhältnisse beim Tiefziehen im Weiterzug
5.4.1 Vergleich berechneter und gemessener Kraft-Weg-Verläufe
5.4.2 Vergleich der berechneten maximal übertragbaren Stempelkräfte mit den gemessenen Bodenreißkräften
5.4.3 Einfluß der bei der Kraftberechnung auftretenden Abweichungen auf die Berechnung der Grenzziehverhältnisse
5.4.4 Optimierung der Ziehverhältnisse für mehrstufig zu fertigende Ziehteile
6 Zusammenfassung
7 Literaturverzeichnis