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EFB-Forschungsbericht Nr. 048

Optimierung des Rückfederungsverhaltens von großflächigen Blechteilen im Modellversuch unter definierten Tief- und Streckziehbedingungen

efb048

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel, Dipl.-Ing. Matthias Beth, Institut für Produktionstechnik der Technischen Hochschule Darmstadt

137 Seiten (Sw 65 Abb., 1 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-042-3

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagwörter: Rückfederung

Zusammenfassung

Die Forschungsvorhaben AiF-Nr 7447 und AiF-Nr. 8481 beschäftigten sich mit der Rückfederungsproblematik bei komplexen Umformvorgängen mit Tief- und Streckziehanteilen.

Im Forschungsvorhaben AiF-Nr. 7447 sollte in einer umfangreichen experimentellen Parameterstudie das Rückfederungsverhalten von Feinblechen unter definierten Tief- und Streckziehbedingungen untersucht werden, d.h. bei einer Kombination aus Biegung mit ein- bzw. zweiaxialer Zugspannungsüberlagerung. Dies sollte in einem Modellziehversuch geschehen, der eine definierte Überlagerung von Biege- und Zugumformung gewährleistet, um so die Einflüsse verschiedener Parameter besser voneinander getrennt untersuchen zu können, als dies bei komplexen Realwerkzeuggeometrien möglich ist.

Zur Abbildung dieser komplexen Umformbedingungen wurde für die experimentellen Untersuchungen ein Modellversuch "Hutprofilziehen mit Zugspannungsüberlagerung" im Rahmen dieses Vorhabens konzeptionell entwickelt und maschinentechnisch realisiert. Mit diesem Modellversuch ist es wie gefordert möglich, der Biegeumformung an den Werkzeugradien definierte ein- und zweiaxiale Zugspannungen in der Blechebene zu überlagern.
Die experimentellen Untersuchungen lieferten folgende wesentliche Ergebnisse:

  • Die Rückfederungen setzen sich aus Anteilen elastisch-plastischer Biegeumformung an den Biegeradien und einer überwiegend elastischen Verformung im Ziehspalt bzw. im stempelüberspannenden Blechbereich zusammen. Die verschiedenen rückfederungsrelevanten Parameter beeinflussen diese beiden Rückfederungskomponenten in unterschiedlicher Weise.
  • Bezogen auf die drei untersuchten Werkstoffe, zeigt das unlegierte Stahlblech St 14 die geringsten Rückfederungen. Das mikrolegierte ZStE 340- und das nicht aushärtende AIMg5Mn-Biech haben wesentlich höhere Rückfederungswerte.
  • Es konnten eindeutige Abhängigkeiten der Rückfederungen von den mechanischen Werkstoffeigenschaften ermittelt werden; hierzu gehörten auch walzrichtungsabhängige Rückfederungsunterschiede.
  • Neben den Werkstoffeigenschaften bestimmt auch die Werkzeuggeometrie die Rückfederungen. Hierbei werden sowohl Rückfederungskomponenten aus elastisch-plastischer Umformung als auch aus rein elastischer Verformung in teilweise gegenläufiger Art beeinflußt.
  • Die sich ausbildende Zargenkrümmung ist in starkem Maße von der Ziehkantenradiusgröße abhängig. Sehr kleine Radien (rz = 2 mm) führten zu nach außen gewölbten Zargen und guten Gesamtformgenauigkeiten der Modellversuchsgeometrie.
  • Die Rückfederungen sind in besonderem Maße von allen Parametern abhängig, die durch einen Eingriff in das Tribosystem Einfluß auf die überlagerten Zugspannungen nehmen.
  • Insbesondere die Niederhalterflächenpressung und die Schmierstoffviskosität beeinflussen die Rückfederungen derart, daß höhere Niederhalterflächenpressungen und geringere Schmierstoffviskositäten zu größeren Spannungsüberlagerungen und damit zu geringeren Rückfederungen führen.
  • Auch die zusätzliche Überlagerung von senkrecht zur Biegeumformung wirkenden Zugspannungen hat Auswirkungen auf die Rückfederungen.
  • Ihre Wirkung ist vornehmlich rückfederungsvermindernd, jedoch von der gleichzeitig in Biegespannungsrichtung wirkenden Zugspannungsüberlagerung abhängig.
  • Im Forschungsvorhaben AiF-Nr. 8481 sollten ausgehend von den im Ausgangsvorhaben gewonnenen Erkenntnissen, d. h. mit Hilfe der aufgezeigten Abhängigkeiten zwischen Rückfederungen und Prozeßparametern Verfahrensstrategien für eine gezielte Beeinflussung bzw. Verringerung der Rückfederungen abgeleitet werden.

Es wurden zwei Verfahrenskonzepte zur gezielten Rückfederungsbeeinflussung erarbeitet, maschinentechnisch realisiert und hinsichtlich Ihrer Rückfederungseinflüsse untersucht:

  • Der Einsatz von Ziehleisten ermöglicht über die ziehleisteninduzierten Zugspannungen und eingeprägten Vorkrümmungen insbesondere eine gezielte Optimierung der Bauteilzargenkrümmung. Zur Verminderung der Zargenkrümmung muß die ziehleisteninduzierte Vorkrümmung entgegen der nachfolgenden Biegeumformungsrichtung am Ziehkantenradius gerichtet sein.
  • Eine Rückfederungsbeeinflussung über eine ziehtiefenabhängige Niederhalterdrucksteuerung ist generell möglich. Unter gleichzeitiger Beurteilung von Rückfederung und Blechwerkstoffbeanspruchung erwies sich bei der konkreten Bauteilgeometrie "Hutprofil" eine sprunghafte Steigerung des Niederhalterdruckes am Umformende als besonders geeignet.

Die vorgestellten experimentellen Ergebnisse liefern damit konkrete Aussagen zur rückfederungsbeeinflussenden Wirkung einzelner Verfahrensparameter.
Weiterhin konnten geeignete Strategien zur verfahrenstechnischen Beeinflussung der Rückfederungen aufgezeigt werden. Zielsetzung weiterer Forschung sollte eine bauteilspezifische Übertragung dieser Modellversuchsergebnisse auf Realbauteilgeometrien sein. Außerdem sollte auf der Basis der erarbeiteten Grundlagen in Zukunft das numerische Experiment zur Analyse der Rückfederungen verstärkt eingesetzt werden.

Das Forschungsvorhaben „Optimierung des Rückfederungsverhaltens von großflächigen Blechteilen im Modellversuch unter definierten Tief- und Streckziehbedingungen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 8481 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. 48 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1. Einleitung
2. Problemsteliung und Zielsetzung
2.1 Zielsetzung des Ausgangsvorhabens AiF-Nr. 7447
2.2 Zielsetzung des Fortsetzungsvorhabens AiF-Nr. 8481
3. Ausgangssituation für die Forschungsvorhaben
4. Versuchseinrichtungen und Untersuchungsverfahren
4.1 Modellversuch "Hutprofilziehen mit Zugspannungsüberlagerung"
4.1.1 Konzeption des Versuchstandes
4.1.2 Realisierung des Versuchstandes
4.2 Definition und Erfassung der rückfederungsbedingten Formabweichungen
4.3 Ermittlung der Formänderungen im Blechwerkstoff
4.4 Aufnahme und Auswertung der Umformkräfte
4.5 Untersuchung der Blechoberfläche nach der Umformung
5. Durchführung der Ziehversuche
5.1 Auswahl und Eigenschaften der Versuchswerkstoffe
5.2 Festlegung der Versuchsparameter
5.3 Probenvorbereitung und Versuchsdurchführung
6. Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse
6.1 Analyse des Umformvorgangs
6.1.1 Stadienfolgeuntersuchung
6.1.2 Theoretische Betrachtung des Umformvorgangs
6.2 Einfluß der Blechwerkstoffeigenschaften
6.3 Einfluß der tribologischen Verhältnisse
6.3.1 Niederhalterdruck
6.3.2 Schmierstoffviskosität
6.3.3 Ziehgeschwindigkeit
6.4 Einfluß der geometrischen Parameter
6.4.1 Werkzeugradius
6.4.2 Ziehspalt-Biechdicken-Verhältnis
6.5 Einfluß einer zweiaxialen Zugspannungsüberlagerung
6.6 Gezielter Einsatz von Ziehleisten
6.6.1 Ziehleistenvorversuche
6.6.2 Hutprofilziehversuche
6.7 Ziehtiefenabhängige Niederhalterdrucksteuerung
6.7.1 Erweiterung des Modellversuchs
6.7.2 Versuchsergebnisse
7. Zusammenfassung
8. Literaturverzeichnis
9. Bilder und Tabellen