Herausforderungen bei der Ermittlung von Werkstoffkennwerten in der Blechumformung

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1 Herausforderungen bei der Ermittlung von Werkstoffkennwerten in der Blechumformung Dr. Stefan Meinel Dipl.-Ing. Christian Scheffler Dipl.-Ing. Katja Silbermann Kontakt: Katja Silbermann Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Reichenhainer Str Chemnitz mailto: Tel. +49 (0)371 / Fax +49 (0)371 /

2 INHALT Das Fraunhofer IWU Maxi Bulge Test Fließbeginn Biachsialer Zugversuch Zug- Druck- Versuch Scherzug Versuch Zusammenfassung Fließorte Hochgeschwindigkeitszugversuch Zusammenfassung Hochgeschwindigkeitszugversuch 2

3 DAS FRAUNHOFER IWU PROFIL 3

4 Kompetenzen Blechumformung Prozesskettenentwicklung und Methodenplanung Blechbearbeitungstechnologien Blechwarmumformung von Stahl, Aluminium, Magnesium, Titan Wirkmedien- und wirkenergiebasierte sowie inkrementelle Umformung Werkzeugkonstruktion und -konzepte Simulation von Umformprozessen Materialphysikalische Grundlagen / Kennwerte 4

5 Werkstoffcharakterisierung und Kennwertermittlung Unsere Fachkompetenz Bestimmung mechanisch-physikalischer Werkstoffkennwerte Ermittlung thermisch-physikalischer Werkstoffkennwerte Charakterisierung des Werkstoffverhaltens von Blechen Bestimmung technologischer Werkstoffkenngrößen Untersuchung des Tribologie- und Reibverhaltens Formänderungsanalyse an Blech- und Massivbauteilen Röntgenografische Untersuchungen Metallografische Untersuchungen Rauheits- und Härtemessung σ II Zug-Druck Prüfung Maxi-Bulge-Test Einachsiger Zugversuch Maxi-Bulge-Test Zug-Druck Prüfung Biaxialer Zugversuch σ I Fließortkurve Biaxialer Zugversuch 5

6 Maxi Bulge Test Effekte Erreichbare Vergleichsumformgrade beim Maxi-Bulge-Test liegen im Bereich des drei- bis fünffachen Wertes der Gleichmaßdehnung Gute Korrelation der Fließkurven aus unterschiedlichen Prüfverfahren Zielstellung Experimentelle Bestimmung von Fließkurven für Blechwerkstoffe bis zu hohen Vergleichsumformgraden, zur Erweiterung der im einachsigen Zugversuch bis zur Gleichmaßdehnung ermittelten Fließkurve Vorgehensweise Exakte Anwendung der Membrantheorie (Blechdicke/Beuldurchmesser 10-3) Hohe Haltekräfte (bis kn) zur Verhinderung des Nachfließens Einsatz eines schnellen Drucksensors ( ± 0.15 bar) und eines optisches Messsystems (ϕ ± 0.01) Synchrone In-Prozess-Messung von Druck, Formänderung und Krümmung am Pol der Bulgeprobe 6

7 Maxi Bulge Test DX56 Swift-Hockett/Sherby 1 07/111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen 500 Fließkurve Experiment DX56D 600 Fließkurven DX56D Fspannung [MPa] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Umformgrad [-] Zugversuch MaxiBulge V02 MaxiBulge V01 MaxiBulge V03 MaxiBulge V04 Zug+ Bulgeversuch Spannung[MPa] Experiment Zugversuch & Bulge Experiment Swift-Hockett-Sherby 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Umformgrad [-] Messdatenauswertung unter Hinzuziehung von Daten aus dem einachsigen Zugversuch Berücksichtigung der plastischen Anisotropie nach Gologranc 7

8 Fließbeginn Dehnung [%] 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 DX56 Richtung - WR0 0,05 0,00-0,05-0,10 Dehnung 1-0,15 Fließbeginn -0,20 Temperatur -0, Zeit [s] Temperaturänderung [K] Spannung [MPa] Spannungs- Dehnungs-Diagramm DX56 - WR0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Dehnung [%] Physikalischer Fließbeginn Bestimmung des Fließbeginns mit Hilfe des Joule-Thomson-Effekt Fließbeginn Rp02 Approximation elastischer Anstieg des Spannungs- Dehnungs- Diagrammes Verschieben der Gerade um 0,2 % Dehnung 8

9 Biachsialer Zugversuch Zielstellung Experimentelle Bestimmung von Anfangs- und Folgefließortkurven für Blechwerkstoffe zur Charakterisierung des tatsächlichen mehrachsigen Fließverhaltens Vorgehensweise Ermittlung von Anfangs- und Folgefließortkurven im Zug-Zug-Bereich für verschiedene Belastungspfade Einsatz von optischen Messsystemen als Dehnungsmesssystem und einer Thermografiekamera zur Detektierung des Fließbeginns Feinstufige Ermittlung von Punkten im ersten Quadranten der FOK in Verbindung mit einachsigen Zug-Druck- Versuchen Abfahren unterschiedlicher mehrachsiger Belastungswege zur Erfassung des Einflusses der Umformgeschichte Effekte Bestimmung der Form der Fließortkurve wie auch ihre Entwicklung bei anisotroper, kinematischer und formativer Verfestigung Schaffung von Voraussetzungen für eine realistische numerische Simulation und Optimierung von Blechumformprozessen 9

10 Biachsialer Zugversuch DX Anfangsfließort DX56 Fließbeginn nach Rp02 Umformarbeit Vergleichsdehnung 07/111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen Spannung Fließbeginn physikalisch 2 = Elastizitätsmodul großen Einfluss auf die Genauigkeit der Auswertung Physikalischer Fließbeginn ist kleiner als der nach Rp0,2 Spannung 11 10

11 Zugversuch und Biachsialer Zugversuch DX Anfangsfließort DX56 07/111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen Spannung Fließbeginn nach Rp02 Fließbeginn physikalisch Spannung 11 Mechanische Kennwerte aus Zugversuch nach DIN DX56D Probenbe- elast.anstieg Rp0.2 Rm Ag r4-6/ag zeichnung [GPa] [MPa] [MPa] % 00 zur WR 191,69 173,09 289,56 25,85 2,19 45 zur WR 218,58 185,91 301,11 23,85 1,50 90 zur WR 207,32 180,32 285,60 25,51 2,58 11

12 Zug- Druck- Versuch ESPI (DantecDynamics) Thermokamera (Infratec) σ 1 σ 2 [MPa] NFOK ε 1 σ 1 [MPa] Bild σ 1 AFOK ε 2 Zielstellung Detektierung des isotropen, kinematischen und gemischt isotrop-kinematischen Fließverhaltens an Hand der Fließortkurve für Blechwerkstoffe. Vorgehensweise Zyklische Versuche an modifizierten Blechproben liefern Messdaten im Zugbereich, Druckbereich und bei Lastrichtungswechsel. Nutzung des Joule-Thomson-Effektes zur Bestimmung des physikalischen Fließbeginns. Einsatz von optischen Messsystemen als Dehnungsmesssystem. Effekte Ermittlung des Verfestigungsverhaltens Detektierung des Bauschinger-Effektes Gewinnung von zusätzlichen Punkten für Anfangs- und Folgefließortkurven Hochgenaue Ermittlung der benötigten Materialparameter für die Umformsimulation 12

13 Druck-Versuch DX56 Physikalischer Fließbeginn um 3 MPa bis 10 MPa kleiner als nach Rp02 Fließbeginn nach Rp02 kleiner als unter Zugbelastung Spannung [MPa] Spannungs-Dehnungskurve Dehnung [%] /111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen Spannung 22 Anfangsfließort physikalisch DX Spannung 11 Spannung 22 Anfangsfließort nach Rp02 DX Spannung 11 13

14 Druck-Druck-Versuch DX56 Fließbeginn physikalisch: Größenordnung wie unter Zugbelastung Fließbeginn Rp02:Fließbeginn kleiner als unter Zugbelastung Spannung 22 Anfangsfließort physikalisch DX Spannung 11 Spannung 22 Anfangsfließort nach Rp02 DX Spannung 11 Biachsialer- Druckversuch IWW TU Chemnitz Ansprechpartner: B. Zillmann 14

15 Scherzug- Versuch 07/111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen Scherspannung [MPa] Scherdehnung vs. Scherspannung Scherdehnung [%] Anfangsfließort physikalisch DX Anfangsfließort nach Rp02 DX Spannung Spannung 11 Spannung Spannung 11 15

16 Zug- Druck- Versuch Folgefließort DX56 8 % Dehnung 45 mm Ziehtiefe Temperaturdifferenz [K] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 einachsiger Zugversuch- - DX56 - WR0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Temperaturverlauf 0,1 Dehnung 0 Gerade 1-0, Gerade 2 40 Zeit [s] Fließbeginn Dejnung [%] 07/111/ AIF-Nr.: 17469BG Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen Dehnungsmessfeld DX56 Marciniak-Versuch Elastizitätsmodul Anstieg Spannungs- Dehnungs- Kurve ermittelt Vergleichsdehnungen, Umformarbeit Dehnungen zu Fließbeginn in sich konsistent Lieferzustand vorgedehnt E-Modul E-Modul [GPa] [GPa] WR WR WR WR WR WR Spannung 2 Fließbeginn bei Rp02 Anfangsfließortkurve DX Spannung 1 physikalischer Fließbeginn 16

17 Fließortkurven Zusammenfassung experimentelle Bestimmung von Fließortkurven Zugversuch, Druck/ Zug- Druck- Versuch, biachsialer Zugversuch und Scherzugversuch Temperaturmessung Bestimmung Fließbeginn Physikalische Fließbeginn ist kleiner als Fließbeginn nach Rp0,2 Elastizitätsmodul großen Einfluss auf die Genauigkeit der Auswertung Berechnung von Vergleichsdehnung und Umformarbeit zur Überprüfung konsistenter Werkstoffdaten 17

18 Hochgeschwindigkeitszugversuch Materialdatengewinnung mittels Schnellzerreißmaschine Zwick-HTM Messaufbau mit Induktionsheizung und Extensiometer Daten: Prüf-Geschwindigkeit bis 20 m/s Prüf-Temperaturbereich bis ca C Zugkraft bis 100 kn 18

19 Hochgeschwindigkeitszugversuch Ausgangssituation der Messwertaufnahme Material AA6016-T4, Probe lackiert schwarz+weiss mit Kraftaufnehmer 19

20 Hochgeschwindigkeitszugversuch Kraftmessung DMS: Problem Applizierung Hinweis: Bei Anwendung der DMS ist es sinnvoll die Taillierungen der Probe so zu wählen, dass die auftretenden elastischen Dehnungen in der Schulter möglichst groß sind großes Nutzsignal für DMS- Auswertung! Andererseits muss das Auftreten selbst geringster plastischer Dehnungen am Applikationspunkt in jedem Falle ausgeschlossen werden (Simulation!) Klebstoff Z70 von HBM. Alternativ Standard-Cyanacrylat. 20

21 Hochgeschwindigkeitszugversuch Bestimmung Fließkurven DC04 Applizierung der DMS in der Schulter der Probe Auftreten selbst geringster plastischer Dehnungen am Applikationspunkt muss ausgeschlossen werden (Simulation!) Prozessdaten Probe s -1 : schwarze Bereiche brüniert, weiße Bereiche lackiert Probe s -1 : schwarze + weiße Bereiche lackiert Proben mit Breite der Taillierung von 12mm (Schulterbreite 44mm) E-Modul N/mm 2 für Kraftberechnung aus DMS-Dehnung verwendet DMS-Schaltung: Halbbrücke DMS-Applikation nach Vorschriften von HBM durchgeführt 21

22 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 22

23 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 23

24 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 24

25 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 25

26 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 26

27 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Kraftverlauf und Umformgeschwindigkeit DC04 27

28 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Fließkurven DC04 - Zusammenfassung 28

29 Hochgeschwindigkeitszugversuch Messung Fließkurven DC04 - geglättet 29

30 Hochgeschwindigkeitszugversuch Fließkurvencharakteristik Fließkurven-Anstieg deutlich geringer bei höheren Dehnraten teilweise Schnitt anderer Dehnraten-Kurven Grund: plastische Arbeit dissipiert zu ~90% als Wärme Temperaturzunahme Fließspannungsreduktion Prozessdauer kurz (500µs bei dhi/dt=1000) nahezu adiabatische Erwärmung der Probe nach Eintreten der Lokalisierung beschränkt sich auf kleine Zone weitere Temperaturkonzentration Temperaturzunahme Temperaturzunahme Lokalisierung 30

31 Hochgeschwindigkeitszugversuch Fließkurvencharakteristik Einfluss Temperaturerhöhung 25 C 50 C 600 C Temperaturfeld HG-Probe bei dphi/dt~100 und starker Lokalisierung kurz vor Versagen 31

32 Hochgeschwindigkeitszugversuch Zusammenfassung Fazit aus den Messungen für verschieden Dehnraten: Für Dehnraten dphi/dt von /s bis 10 1/s stimmen die Messergebnisse vom Kraftaufnehmer ausgezeichnet mit den Ergebnissen der DMS überein. Für Dehnraten dphi/dt ~ 100 1/s ist eine moderate Schwingung der Messdaten des Kraftaufnehmer zu verzeichnen, die jedoch durch eine Glättungsoperation noch eliminiert werden könnten. Für Dehnraten dphi/dt ~ /s treten starke Schwingungen des Kraftausnehmersignals auf, die keine korrekte Auswertung dieser Daten zulassen. Die DMS-Daten sind in diesem Falle noch wesentlich aussagekräftiger. Jedoch treten auch hier zunehmend Schwingungen auf, die die Zuverlässigkiet der Daten beeinflussen. In Bereich von dphi/dt ~ /s liegt bei der betrachteten Probenform die an der Hochgeschwindigkeitszugmaschine auch maximal mögliche Dehnrate. 32

33 Hochgeschwindigkeitszugversuch Zusammenfassung Allgemein: Zugversuche mit hohen Dehnraten stellen generell erhöhte Anforderungen an die Messtechnik und an die Versuchsauswertung Absolute Konstanz der Dehnrate und der Temperatur während der Versuchsdurchführung kann nicht gewährleistet werden Eine Überlagerung von temperatur- und dehnratenbedingten Effekten findet trotz induktiver Temperierung der Probe statt. Durch die dissipationsbedingte Erwärmung der Probe wird während der Messung zusätzliche Wärme in den Vorgang eingebracht. 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 34