Rückfederungskompensation mittels Tiefziehen mit wechselseitigem Platineneinlauf
Verfasser:
M. Sc. David Briesenick, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart
122 Seiten - 90,00 EUR (sw, 85 teils farbige Abb., 8 Tab.)
ISBN 978-3-86776-620-3
Zusammenfassung
Der vorliegende Forschungsbericht stellt die Ergebnisse aus experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Rückfederungskompensation mittels Tiefziehens mit wechselseitigem Platineneinlauf vor. Das Verfahren zeichnet sich durch einen mehrstufigen Umformprozess mit wechselndem Platineneinlauf aus, bei welchem jeweils das Blech nur einseitig einläuft.
Die damit einhergehenden wechselnden Biegevorgänge über die Werkzeugradien führen zu einer Überlagerung von Zug- und Druckspannungen im Blech, durch welche die Rückfederung des Bauteils am Ende der Umformung reduziert wird. Ziel dieses Forschungsprojekts war die Erstellung einer Auslegungsmethodik für das wechselseitige Tiefziehen von Strukturbauteilen aus hoch- und höchstfestem Stahlblech. Diese setzt sich aus den gewonnenen Erkenntnissen zur erweiterten Werkstoffmodellierung, der mehrstufigen Umformsimulation, den ermittelten Sensitivitäten der Werkzeug- und Prozessparameter sowie den Einflüssen und Grenzen der Bauteilgeometrie zusammen.
Die Ergebnisse und Erkenntnisse der hierbei durchgeführten Untersuchungen mündeten schließlich in Handlungsempfehlungen zur simulationsgestützten Auslegung des wechselseitigen Tiefziehprozesses unter Berücksichtigung der wesentlichen material- und prozessspezifischen Einflussgrößen.
Zu Beginn der Forschungsarbeiten erfolgte eine umfassende Charakterisierung des ver-wendeten Versuchswerkstoff DP980 mit einer Blechdicke von 0,97 mm. Die hierbei erfassten elastisch-plastischen Eigenschaften sowie die dehnungsabhängige Reduktion des Elastizitätsmoduls und die kinematische Verfestigung wurden anschließend mittels des Werkstoffmodells MAT125 (LS-DYNA) modelliert und dieses in eine Umformsimulation für einen mehrstufigen wechselseitigen Tiefziehprozess integriert.
Mittels einer numerischen Sensitivitätsanalyse wurde das dreistufige Verfahren mit zwei wechselseitigen Tiefziehvorgängen und einem abschließenden kalibrierenden Umformschritt (Shape-Set) untersucht und das Verhältnis zwischen den Ziehtiefen als dominante Prozessgröße identifiziert.
Für die Umformung verschiedener Bauteilgeometrien zeigte sich ein Ziehtiefenverhältnis zwischen den ersten beiden Umformstufen mit wechselseitigem Platineneinlauf von 1,6 als am besten geeignet. Gleichzeitig wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um einen asymmetrischen Platineneinlauf in den Werkzeugstufen mittels Distanzierungen umzusetzen.
Hier zeigte sich die Blechhalterkraft und dabei insbesondere die initiale Flächenpressung auf der Flanschseite mit unterbundenem Platineneinlauf als dominante Prozessgröße. Es wurde festgestellt, dass sich die Platineneinlaufkinematik erst ab einer initialen Mindestflächenpressung von ca. 57 MPa prozesssicher gestalten lässt.
Die während des Forschungsprojekts gesammelten Erkenntnisse wurden abschließend in einer Auslegungsmethodik zusammengefasst und numerisch an zwei praxisnahen Bauteilgeometrien aus dem Fahrzeugstrukturbereich erprobt. Dabei konnte die Herstellbarkeit der betrachteten Bauteile mittels des Tiefziehens mit wechselseitigem Platineneinlauf nachgewiesen und zudem eine reduzierte Bauteilrückfederung im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen erzielt werden.
Es zeigte sich jedoch einerseits eine starke Abhängigkeit des Kompensationseffekts durch die Bauteilgeometrie selbst und andererseits, dass es zu Limitationen bei der Durchführung dieses stark reibungsabhängigen Verfahrens durch die verfügbare Blechhalterkraft der verwendeten Karosserieziehpresse kommen kann.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Rückfederungskompensation mittels Tiefziehen mit wechselseitigem Platineneinlauf" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20299N 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. 561 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The present report provides the results of experimental and numerical investigations on springback compensation method by deep drawing with alternating blank draw-in. The process is characterized by a multi-stage forming process with one-sided flange displacement. This results in an alternating bending processes over the tool radii and lead to stress superposition in the sheet metal, thus reduce springback at the end of the forming process. The aim of this research project was to develop an engineering procedure for the alternating deep drawing of structural components made of high-strength and ultrahigh-strength sheet metal.
It is based on the knowledge gained from extended material modeling, multi-stage forming simulation, the sensitivities determined for the tool and process parameters and the influence and limits of the formed component geometry. It also contains recommendations for the simulation-based design of the deep drawing with alternating draw-in process based on dominant parameters and recommended process settings.
The research project started with a comprehensive characterization of the investigated sheet metal material DP980 in a sheet thickness of 0.97 mm. The measured elastic-plastic material properties as well as the strain-dependent reduction of the elastic modulus and the kinematic hardening were then integrated in the corresponding material modeling (LS-DYNA MAT125) in a forming simulation for a multi-stage deep drawing process with alternating blank draw-in.
A numerical sensitivity analysis was carried out to investigate the three-stage process with two alternating deep drawing operations and a final calibrating forming step (shape set). Thereby, the ratio between the drawing depths was identified as a dominant process parameter.A drawing depth ratio of 1.6 between the first two forming steps with alternating blank draw-in was found to be practicable for forming a wide range of component geometries. At the same time, numerical, tool design and experimental investigations were performed to implement an asymmetrical blank draw-in multi-stage tools by blank holder spacers.
The blankholder force and thus in particular the initial contact pressure on the flange side with prevented blank draw-in, proved to be a dominant process parameter. An initial contact pressure in flange area of approx. 57 MPa can prevent blank draw-in and ensures a robust process kinematic to overcome process fluctuations in lubrication for example.
These and other findings were summarized in an engineering procedure and theoretically tested by forming simulations of two exemplary component geometries from the car body structure. Thereby, the formability of deep drawing process was maintained and at the same time, springback was efficiently reduced. Nevertheless, a strong influence of the compensation effect due to the component geometry was observed. Further limitations occurred because of the demand of high blankholder forces to ensure alternating blank draw-in only via friction related restraining forces in flange area.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Hoch- und höchstfeste Stahlblechwerkstoffe
2.2 Rückfederung – Ursache und Wirkung
2.3 Maßnahmen zur Rückfederungskompensation
2.3.1 Geometrische Maßnahmen zur Kompensation der Rückfederung
2.3.2 Prozessseitige Maßnahmen zur Kompensation der Rückfederung
2.4 Fazit zum Stand der Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Zielsetzung
3.2 Vorgehensweise
4 Werkstoffcharakterisierung und Modellierung
4.1 Zugversuch
4.2 Bulge-Test
4.3 Nakajima-Versuch (FLC)
4.4 Scherversuche mit Lastumkehr
4.5 Modellierung und Kalibrierung
4.5.1 Fließkurve
4.5.2 Reduktion des Elastizitätsmoduls
4.5.3 Kinematische Verfestigung (Yoshida-Uemori)
4.5.4 Verifizierung des Werkstoffmodels
5 Numerische Simulationsstudie zur Sensitivitätsanalyse der Werkzeug- und Prozessparameter
5.1 Parametrisiertes Simulationsmodell
5.2 Spannungszustand beim wechselseitigen Tiefziehen
5.3 Sensitivitätsanalyse
5.3.1 Einfluss der Flächenpressung auf die Platineneinlaufkinematik
5.3.2 Einfluss des Ziehtiefenverhältnisses auf das wechselseitige Tiefziehen
5.3.3 Einfluss der Werkzeugradien auf die Platineneinlaufkinematik und Rückfederung
5.3.4 Zusammenfassung der Einflüsse von Werkzeug- und Prozessparametern
6 Simulative Prozessauslegung für ein realitätsnahes Bauteil
6.1 Simulationsmodell
6.2 Gegenüberstellung zum konventionellen Tiefziehen
6.3 Einfluss der Stufenanzahl auf das Umformergebnis
7 Konstruktive Umsetzung der Versuchstechnik
7.1 Distanzierung Blechhalter
7.2 Schneideinheit
7.3 Messaufnahme
8 Experimentelle Untersuchungen zum Tiefziehen mit wechselseitigem Platineneinlauf
8.1 Probengeometrie, Versuchswerkzeug und Messtechnik
8.2 Parametervariation und Versuchsablauf
8.3 Einfluss des Ziehtiefenverhältnisses auf die Platineneinlaufkinematik und Rückfederung
8.4 Einfluss der Distanzierung auf die Platineneinlaufkinematik
8.5 Einfluss der Blechhalterkraft auf die Platineneinlaufkinematik
8.6 Einfluss der Schmierstoffmenge auf die Platineneinlaufkinematik
8.7 Tiefziehen und wechselseitiges Tiefziehen der S-Rail Geometrie
9 Numerische Analyse der Prozessgrenzen
9.1 Betrachtung bauteilgeometrischer Einflüsse
9.2 Anwendungsbeispiel „Mini-Tunnel"
9.3 Anwendungsbeispiel „Längsträger"
10 Zusammenfassung und Ausblick
10.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis
12 Anhang
