Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 061

Simulation des Formstempeltiefziehens im Weiterschlag

efb61

Verfasser:
Dr.-Ing. Günter Herold, Dipl.-Ing. Matthias Kluge, Institut für Umformtechnik der Technische Universität Chemnitz

153 Seiten (Sw 51 Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-033-1

Preis (Digital) EUR 73,00

Preis (Print) EUR 82,40

Schlagwörter: Hohlkörper, Ziehverhältnisse

Zusammenfassung

Für die optimale Zugabstufung und Maschinenauslastung bei der Herstellung abgesetzter Ziehteile ist die Berechnung des Kraft-Weg-Verlaufs auch für Weiterzüge erforderlich. Bisher wurden in der Literatur Berechnungsmodelle zur Berechnung von Kraft-Weg-Verläufen unter Nutzung der elementaren Methode nur für die erste Ziehstufe bekannt.

In der vorliegenden Arbeit wird auf der Grundlage der elementaren Plastizitätstheorie ein Modell zur Berechnung der Stempelkraft in Abhängigkeit vom Stempelweg für das Tiefziehen im Weiterzug aufgestellt. Bei der Modellbildung wird die Stempelkraft in:

  • die ideellen Ziehkraftanteile FID1 bis FID3,
  • • die Biegekraftanteile FB1 bis FB4,
  • • die Reibkraftanteile FsRN und FsRZ an der Niederhalterkante und an der Ziehringkante sowie
  • • die Reibkraftanteile FRN durch die Niederhalterkraft FN und FRT durch Tangentialspannung, resultierend aus der Flanschumformung am Ziehringkonus, zerlegt, welche in definierten Bereichen und an definierten Stellen der Umformzone je nach Beanspruchung des Blechwerkstoffs angesetzt werden.

Zur Ableitung der Berechnungsbeziehungen für die Einzelkraftanteile werden bekannte Ansätze aus der Literatur an die im Weiterzug vorliegenden Bedingungen angepaßt. Weiterhin wird berücksichtigt, daß sich die Kraftanteile, ausgehend vom Ziehteilrand, in Richtung des Ziehstempels überlagern.

Die zur Berechnung der Umformkraftanteile erforderlichen Fließspannungen an den Stellen 1 bis 4 und die mittleren Fließspannungen in den Bereichen I bis III der Umformzone werden für jedes Stempelwegintervall der Kraft-Weg-Verläufe aus den momentanen Vergleichsumformgraden an den genannten Stellen der Umformzone ermittelt, wobei die Fleißkurve mit der für unlegiertes weiches Stahlblech hinreichend genauen Ansatz nach NADAI /10/, /17/ approximiert wird.
Die Bestimmung der momentanen Vergleichsformänderungen erfolgt unter Berücksichtigung

  • der momentanen Ziehteilgeometrie,
  • der konkret vorliegenden Werkzeugaktivgeometrie,
  • der in den vorgelagerten Ziehstufen erreichten Werkstoffvorverfestigung und
  • der beim Tiefziehen auftretenden Blechdickenänderungen.

Zur Ermittlung der beim Tiefziehen im Weiterzug und in den vorhergehenden Ziehstufen auftretenden Blechdickenänderung wird eine experimentell gestützte Beziehung verwendet. Es wird davon ausgegangen, daß am Einlauf des Blechwerkstoffs in die Umformzone (Stelle 1) die Blechdickenänderungen vorliegen, die sich in der vorgelagerten Ziehstufe ergeben und am Auslauf des Blechwerkstoffs aus der Umformzone (Stelle 4) die Blechdickenänderungen vorliegen, die sich im Weiterzug ergeben.

Für die Berücksichtigung der Blechdickenänderungen bei der Berechnung der Stempelkraftverläufe ist eine funktionelle Beschreibung der Blechdickenänderungen in Abhängigkeit vom Stempelweg erforderlich. Hierzu werden die über der Ziehteilhöhe im Bereich der Ziehteilzargen gemessenen Blechdicken, bezogen auf die Anfangsblechdicke, in Abhängigkeit vom Stempelweg dargestellt.
Die Approximation der Blechdickenverläufe erfolgt mittels Regressionanalyse.

Aufgrund der sich im Rechnermodell ergebenden komplexen Berechnungsbeziehungen wird eine rechentechnische Umsetzung auf Personalcomputer unter Verwendung der Programmiersprache Turbopascal durchgeführt. Das Programm ist modular aufgebaut, so daß eine Erweiterung und Nutzung in Verbindung mit anderen Softwareprogrammen möglich ist. Die im Programm enthaltenen Berechnungsschritte zur Berechnung der momentanen Ziehteilgeometrie, der Formänderungen, der Fließspannungen und der Einzelkraftanteile sowie der Stempelkraft und des Arbeitsbedarfs erfolgt zyklisch, so daß die Berechnungsergebnisse für jedes Stempelwegintervall vorliegen.

Zur Überprüfung des Berechnungsmodells werden Weiterziehversuche unter Variation der Ziehverhältnisse im Erst- und Weiterzug, der Ziehringform, der Anfangsblechdicke sowie mit unterschiedlichen Schmierzuständen durchgeführt.
Für den möglichst genauen Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Kraft-Weg-Verläufen werden die mechanischen Werkstoffkenngrößen im Zugversuch und der Reibwert im Streifenziehversuch mit Umlenkung ermittelt.

Der Vergleich gemessener und berechneter Kraft-Weg-Verläufe zeigt bei allen Versuchsvarianten eine gute Übereinstimmung der Kurvencharakteristik. Die variierten Größen wirken sich hierbei in gleicher Weise auf berechnete und gemessene Stempelkraftverläufe aus. Durch eine Berücksichtigung der Blechdickenänderung im Berechnungsmodell kann vor allem bei großen Ziehverhältnissen ß1 im Erstzug eine Genauigkeitsverbesserung erreicht werden.
Im Vergleich berechneter und gemessener Maximalkräfte und des Arbeitsbedarfs wird mit dem Berechnungsmodell ebenfalls eine gute Vorhersagegenauigkeit erreicht.

Im Ergebnis der theoretischen und experimentellen Untersuchungen kann insgesamt geschlußfolgert werden, daß die Berechnung der Stempelkraftverläufe, der maximalen Stempelkräfte und des Arbeitsbedarfs auch im Weiterzug mit Ansätzen der elementaren Plastizitätstheorie und unter Nutzung der modernen PC-Technik für die Blechumformung hinreichend genaue Ergebnisse liefert.
Die Bedeutung des aufgestellten Berechnungsmodells für die Anwendung in der Praxis liegt vor allem in der optimalen Gestaltung mehrstufig zu ziehender abgesetzter Ziehteile mit Rotationssymmetrie.

Mit dem vorliegenden Berechnungsmodell und unter Kenntnis der Abreißkraft können Grenzziehverhältnisse für Weiterzüge unter Berücksichtigung der konkret vorliegenden Werkzeugaktivgeometrie, Ziehtiefe und der Werkstoffverfestigung in vorgelagerten Ziehstufen vorausberechnet werden.

Ein weiterer Anwendungsfall ist mit der energetisch günstigen Auswahl der Umformmaschine gegeben, was vor allem bei der Fertigung auf Mehrstufenpressen von Interesse sein dürfte.
Die Umsetzung des Berechnungsmodells auf PC-Rechentechnik ermöglicht die Nutzung auch für kleine und mittelständische Unternehmen.

Das Forschungsvorhaben „Simulation des Formstempeltiefziehens im Weiterschlag“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 393D 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. 61 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1. Einleitung und Aufgabenstellung
2. Stand der Erkenntnisse
2.1. Grundlagen
2.2. Gesetzmäßigkeiten zur Ermittlung der Stempelkraft und des Arbeitsbedarfs für das Tiefziehen im Weiterzug
2.3. Reibwert und Fließkurve
2.4. Diskussion rechnergestützter Methoden
2.5. Forderungen an das Untersuchungsprogramm
3. Theoretische Untersuchungen zur Berechnung der Stempelkraft beim Tiefziehen im Weiterzug in Abhängigkeit vom Stempelweg
3.1. Analytisches Modell zur Berechnung des Stempelkraftverlaufs
3.2. Rechentechnische Umsetzung
3.3. Berechnung der momentanen Ziehteilgeometrie
3.4. Ermittlung der Formänderungen und Fließspannungen an den Stellen 1 bis 4 der Umformzone
3.5. Herleitung der Stempelkraftanteile
3.5.1. Ideelle Ziehkraft
3.5.2. Biegekraftanteile
3.5.3. Reibkraftanteile an den Werkzeugaktivteilflächen
4. Planung und Durchführung experimenteller Untersuchungen
4.1. Zielstellung
4.2. Tiefziehversuche
4.2.1. Versuchseinrichtung und Meßaufbau
4.2.2. Versuchsdurchführung
4.3. Ermittlung der Werkstoffkennwerte
4.4. Ermittlung des Reibwertes
4.5. Experimentelle Untersuchungen zur Berücksichtigung der Blechdickenänderungen beim Tiefziehen im Weiterzug
4.5.1. Lokalisierung der auftretenden Blechdickenänderungen
4.5.2. Einflüsse auf den Blechdickenverlauf
5. Auswertung der Untersuchungsergebnisse
5.1. Vergleich berechneter und gemessener Kraft-Weg-Verläufe
5.2. Vergleich der berechneten und experimentell ermittelten maximalen Stempelkräfte
5.3. Vergleichende Ermittlung des Arbeitsbedarfs
6. Zusammenfassung
7. Literaturverzeichnis
8. Tabellenverzeichnis
9. Bildverzeichnis
Bildteil