Verbesserte Prognose lokaler Einschnürungen in mehrstufigen Blechumformprozessen

Abstract

Die korrekte Prognose lokaler Einschnürungen während der Umformung komplex geformter Blechbauteile stellt heute einen entscheidenden Erfolgsfaktor für die Erreichung von Zeit-, Kosten- und Qualitätszielen in der Methodenplanung und im Werkzeugbau dar. Seit den 1970er Jahren ist bekannt, dass die Grenzformänderungskurve nach DIN EN ISO 12004-2 keine korrekte Prognose des Beginns von lokalen Einschnürungen im Fall von nicht-linearen Dehnpfaden ermöglicht. Bisher wird dieser Tatsache in der industriellen Praxis häufig durch die Berücksichtigung großer Sicherheitsfaktoren in der Methodenplanung und der Werkzeugkonstruktion Rechnung getragen. Dies ist sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus wirtschaftlicher Sicht ein unbefriedigender Zustand. In Zeiten, in denen der bewusste Umgang mit Ressourcen und die Verkürzung von Entwicklungs- und Fertigungszyklen deutlich ins Bewusstsein gerückt sind, ist es unumgänglich, die Herstellbarkeit moderner Blechbauteile in einem möglichst frühen Projektstadium genau zu prognostizieren. Wie im Stand der Technik dieser Arbeit beschrieben, existieren eine Vielzahl an Ansätzen und Modellen zur Prognose lokaler Einschnürungen zur Charakterisierung des Umformverhaltens moderner Blechwerkstoffe für lineare und nicht-lineare Dehnpfade. Diese Modelle sollen die Vorausberechnung des Einschnürbeginns eines Blechwerkstoffs in einem bestimmten Umformprozess ermöglichen. Je nach Modell, werden dafür theoretische Annahmen oder empirische Messungen für die Bedatung des Modells verwendet. Eine praxisnahe Evaluierung der Berechnungsergebnisse anhand konkreter Versuchsbauteile ist allerdings kaum veröffentlicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kriterium entwickelt, welches es ermöglicht, den Beginn der lokalen Einschnürung der Platine unter linearer und nicht-linearer Dehnung zu prognostizieren. Ausgangspunkt für die Entwicklung des Kriteriums bildeten umfangreiche Versuche zur Charakterisierung des Umformverhaltens der Blechwerkstoffe AA6014, DP600 und DX54D. Neben klassischen Werkstoffkennwerten aus dem einachsigen Zugversuch wurden insbesondere Grenzformänderungskurven der Blechwerkstoffe nach unterschiedlichen Vorbeanspruchungen aufgenommen. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, wie stark sich das Umformvermögen der Blechwerkstoffe in Abhängigkeit der während der Umformung in die Platine eingebrachten nicht-linearen Dehnpfade verändert. Auf Basis dieser Daten wurde ein Kriterium entwickelt, das den Beginn der lokalen Einschnürung für lineare und nicht-lineare Dehnpfade prognostiziert. Entwicklungsziel bildete ein Kriterium mit geringem Bedatungsaufwand, welches möglichst genaue Aussagen über den Beginn der lokalen Einschnürung der Blechwerkstoffe AA6014, DP600 und DX54D unter nicht-linearen Dehnpfaden ermöglicht. Die praktische Anwendbarkeit dieses Kriteriums wurde zuerst an Grenzformänderungskurven mit nicht-linearen Dehnpfaden nachgewiesen. Anschließend wurde die Prognosefähigkeit des sogenannten IFU FLC-Kriteriums an vier unterschiedlichen Versuchsbauteilen überprüft und evaluiert. Die Versuchsbauteile mit der Bezeichnung „Tunnelverstärkung“ (Versuchsbauteil der Daimler AG) und „Innentüre“ werden in einem Pressenhub gefertigt. Beide Bauteile zeichnen sich durch lokale Einschnürungen in bestimmten Bauteilzonen aufgrund nicht-linearer Dehnpfade aus. Der Beginn der lokalen Einschnürung, der für diese Bauteile anhand der klassischen Grenzformänderungskurve nicht korrekt prognostiziert wird, kann mittels des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Kriteriums deutlich genauer vorhergesagt werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt insbesondere auf der Prognose lokaler Einschnürungen in mehrstufigen Blechumformprozessen. Diese weisen häufig besonders stark ausgeprägte nicht-lineare Dehnpfade auf. Hierzu wurden ein als Doppelnapf bezeichnetes Bauteil und ein in drei Umformstufen tiefgezogener Stumpfnapf hinsichtlich des Einschnürbeginns unter nicht-linearen Dehnpfaden untersucht. Diese Versuche dienen zur Evaluierung des IFU-FLC-Kriteriums für mehrstufige Umformprozesse. Der in drei Umformstufen tiefgezogene Stumpfnapf und die dafür entwickelten Umformwerkzeuge wurden so gestaltet, dass eine in-situ Messung der Dehnpfadverläufe möglich ist. Auch für diese beiden in zwei, beziehungsweise drei Umformstufen angefertigten Bauteile zeigte sich, dass das neu entwickelte IFU-FLC-Kriterium eine deutlich genauere Prognose des Beginns der lokalen Einschnürung ermöglicht als die klassische Grenzformänderungskurve nach DIN EN ISO 12004-2. Durch die genauere Prognose lokaler Einschnürungen in Blechumformprozessen mit nicht-linearen Dehnpfaden können diese besser ausgelegt, die Umformwerkzeuge genauer konstruiert und die gesamte Prozesskette bis zur Serienproduktion des Bauteils kostengünstiger und robuster dargestellt werden. In zukünftigen Prozessketten, auf Basis einer virtuellen Bauteilauslegung, wird die Verknüpfung zwischen den während der Herstellung in den Werkstoff eingebrachten Formänderungen und den im weiteren Betrieb auftretenden Belastungen im Werkstoff eine entscheidende Fragestellung darstellen. Dadurch kann das Betriebsverhalten von Blechbauteilen über ihren gesamten Produktlebenszyklus genauer berechnet werden. Zur Beantwortung dieser Fragestellung kann das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Kriterium einen Beitrag leisten.