Beurteilung der Ausprägung und Qualitätsrelevanz von Anhieb- und Nachlaufkanten in der Tiefziehsimulation mittels FEM
Verfasser:
M. Sc. Patrick Cyron, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart
112 Seiten - 76,00 EUR (sw, 65 teils farbige Abb., 13 Tab.)
ISBN 978-3-86776-612-8
Zusammenfassung
Die subjektive Wahrnehmung des Kunden bezüglich der Qualität von Blechbauteilen hängt im Wesentlichen von dessen geometrischen Eigenschaften und dessen Oberflächenstruktur ab.In diesem Zusammenhang muss ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Oberflächendefekten wie z.B. Nachlaufkanten gelegt werden, die während des Blechumformprozesses entstehen können.Solche Oberflächendefekte werden jedoch in den meisten Fällen erst spät im Produktent-stehungsprozess detektiert, sodass dadurch meist ein hoher Kosten- und Zeitaufwand hinsichtlich der Nacharbeitung oder sogar der konstruktiven Änderung dieser Blechbauteile entsteht.
Grundsätzlich können hierbei numerische Modellierungsansätze zur Detektion dieser Oberflächendefekten Abhilfe leisten. Jedoch erlauben die heute hierfür verfügbaren numerischen Auswertekriterien noch keine ausreichende Grundlage für die Beurteilung der Qualitätsrelevanz von Nachlaufkanten in der Produktion.
Ziel dieses Projekts war es daher, ein empirisches Bewertungskriterium für die FEM-Simulation zu entwickeln, um bereits frühzeitig im Produktentstehungsprozess die Ausprägung auftretender Nachlauf- oder Anhiebkanten mit Blick auf die geforderte Bauteilqualität bewerten zu können.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die kombinierte Betrachtung der Krümmung und der Blechausdünnung sowohl die Position als auch die Qualitätsrelevanz der Nachlaufkante eines lackierten Blechbauteils präzise prognostiziert werden können. Position und Qualitätsrelevanz der Anhiebkante können hingegen durch die maximale Flächenpressung oder die resultierende Einglättung des Blechs vorhergesagt werden.
Anwender werden durch die Entwicklung dieser neuen Bewertungskriterien nun befähigt, Blechbauteile bzw. entsprechende Tiefziehwerkzeugs bereits in der Auslegungsphase im Hinblick auf die Vermeidung von Nachlauf- und Anhiebkanten zu optimieren und dadurch ein Auftreten dieser Oberflächendefekte in der späteren Produktion zu bewerten oder ggfs. zu verhindern.
Dadurch ist es nun möglich, die Hochlaufphasen von komplexen Bauteilen zu verkürzen und kosten- und zeitintensive Nacharbeiten einzusparen.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Beurteilung der Ausprägung und Qualitätsrelevanz von Anhieb- und Nachlaufkanten in der Tiefziehsimulation mittels FEM" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19877N 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. 555 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The subjective perception of the customer regarding the quality of sheet metal components primarily depends on their geometric properties and surface structure. In this context, special attention must be paid to the avoidance of surface defects, such as skid lines, that may occur during the sheet metal forming process.
Such surface defects, however are in most cases detected only late in the product development process, which usually leads to a high costs and time expenditure regarding reworking or even the design modification of these sheet metal components.
Generally, numerical modeling approaches for the detection of these surface defects can provide a remedy. Nevertheless, the evaluation criteria available today do not yet provide a sufficient basis for assessing the quality relevance of skid lines in production.
The objective of this project was to develop an empirical evaluation criterion for the FEM simulation in order to assess the characteristics of skid lines or cutting edges with regard to the required component quality at an early stage in the product development process.
The investigations have demonstrated that both the position and the quality relevance of the skid line of a painted sheet metal component can be precisely predicted by combining curvature and sheet metal thinning.
However, the position and quality relevance of the cutting edge can be predicted by the maximum surface pressure or the resulting flattening of the sheet metal. By developing these new evaluation criteria, users will now be able to optimize sheet metal components or corresponding deep-drawing dies already in the design phase with regard to the avoidance of skid lines and cutting edges and thus to evaluate or, if necessary, prevent the occurrence of these surface defects in later production.
As a result, the ramp-up phases of complex components can be shortened and cost- and time-intensive reworking can be eliminated.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Tiefziehen
2.1.1 Streckziehen
2.1.2 Karosserieziehen
2.2 Oberflächendefekte
2.2.1 Anhieb- und Nachlaufkante
2.3 Finite-Elemente-Methode
2.3.1 Modellierung
2.3.2 Algorithmen – Zeitintegrationsverfahren
2.3.3 Resultate
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Experimentelle Erzeugung von ausgeprägten Nachlaufkanten und Analyse der Versuchsdaten
4.1 Versuchsaufbau
4.2 Versuchsdurchführung
4.3 Auswertung der experimentellen Ergebnisse
4.4 Probandenbefragung zur Beurteilung der Ausprägung von Nachlaufkanten auf (un-)lackierten Versuchsproben
5 Entwicklung von Bewertungskriterien
5.1 Numerische Untersuchung
5.1.1 Aufbau der FEM-Modelle
5.1.2 Validierung der FEM-Modelle
5.2 Untersuchung der Dehnungs- und Geometriegrößen
5.3 Bewertungskriterien für Nachlaufkanten
5.3.1 Nachlaufkante (NLK)
6 Experimentelle und numerische Untersuchung von ausgeprägten Anhiebkanten
6.1 Probandenbefragung zur Beurteilung der Ausprägung von Anhiebkanten auf lackierten Versuchsproben
6.2 Untersuchung von Zustandsgrößen
7 Überprüfung der Bewertungskriterien
7.1 Experimentelle Untersuchung der zweiten Bauteilgeometrie
7.2 Einfluss des Lacks auf die Sichtbarkeit der Nachlaufkante bei Bauteilen mit gekrümmten Flächen
7.3 Numerische Untersuchung der zweiten Bauteilgeometrie
7.4 Überprüfung der Bewertungskriterien
7.4.1 Nachlaufkanten-Bewertungskriterium
7.4.2 Anhiebkanten-Bewertungskriterium
7.5 Übertragbarkeit auf weitere Simulationssoftware
8 Ergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
9 Literatur
10 Anhang
