Fertigungstechnik II Umformtechnik Tiefziehen

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren Fertigungstechnik II Umformtechnik Tiefziehen Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius 13. Dezember 215 Vorlesungsüberblick Termin Thema Einführung und Grundlagen der Umformtechnik Übung Grundlagen Elementare Methoden der Spannungs- und Kraftermittlung Tiefziehen Übung zum Tiefziehen / Tiefziehbeleg Biegen Übung zum Biegen Gesenkschmieden Fließ- und Strangpressen Zerteilen / Scherschneiden Ausweichtermin Repetitorium -2-

2 Repetition Plastizitätstheorie Besondere Spannungs- und Dehnungszustände Deviatorischer und hydrostatischer Spannungszustand Ebener Spannungs- und Dehnungszustand Zusammenhang Spannungs- und Dehnungsinkrement Analytische Methoden - Gleichgewichtsmethoden MOHRscher Spannungskreis Schrankenverfahren Prozessprinzip Tiefziehen F S t Stempel F NH F NH Niederhalter (Blechhalter) Platine (Blech) Ziehring (Matrize) Definition: Tiefziehen gehört nach DIN 8584 zum Zugdruckumformen, bei dem ein Blechzuschnitt (Platine, Ronde) zu einem Hohlkörper (oder ein Hohlkörper zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang) ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke umgeformt wird

3 Tiefziehen Begriffsdefinition am Bauteil Steg Flansch Mantel oder Zarge Bodenfläche Anwendungsbeispiele Tiefziehen

4 Anwendungsbeispiele Tiefziehen (Quelle: Neff) Conventional Approach Grenzformänderungsdiagramm Forming Limit Diagram Forming Limit Curve (FLC) Annahmen: Lineare Dehnpfade Versagen ist definiert mit einsetzender diffuser Einschnürung Gewöhnlich werden Nakajima genutzt 1. Hauptdehnung ϕ 1 Einachsiger Zug Messunsicherheit / Vertrauensbereic ϕ 1 = -2 ϕ 2 Grenzformänderungskurve Nakajimaproben Plane strain ϕ 2 = Streckziehen ϕ 1 = ϕ 2 Tiefziehen ϕ 1 = -ϕ 2 2. Hauptdehnung ϕ

5 Formänderungsanalyse b 1 b 1 Aufbringung von Raster vor Umformung (z.b. Kreisraster) Deformation zu Ellipsen infolge Umformprozess Vermessung nach Umformung und Berechnung d l 1 l ϕ1 = ln d ϕ 1 b 1 2 = ln d S. P. Keeler Anwendung Formänderungsanalyse N. Bay

6 Lösung Übungsaufgabe Dehnungszustand Bei einer Formänderungsanalyse eines Blechformteils werden vor der Umformung Muster (z.b. Kreise) aufgebracht. Diese Kreise werden infolge der Umformung zu Ellipsen verzerrt. Die zugehörigen Achsen geben Größe und Richtung der Hauptformänderungen an! Lösung Übungsaufgabe Dehnungszustand A B C D l 1 b 1 d =3 l ϕ1 = ln d 1 b1 ϕ2 = ln d Hauptformänderung ϕ 1,4,8,3,6,2,4,1,2 D Dimension A B C D A b 1 B 24C l ϕ 1,182,182,182,34, -,6 -,4 -,2,,2,4 -,2 ϕ 2 -,22,182 -,22 Nebenformänderung,2 ϕ

7 Einschränkung der FLC Die Grenzformänderungs-Kurve gilt nur für lineare Dehnungspfade, es gilt: β ϕ ϕ 2 = = 1 konst. Im Allgemeinen liegen nicht-lineare Dehnungspfade vor: ϕ 1 ε max ϕ 1 ε max ϕ ϕ2 ε min 2 ε min Reales Tiefziehbauteil, 1. Hauptformänderung ϕ 1 ϕ

8 Reales Tiefziehbauteil, Grenzformänderungsdiagramm Spannungsverhältnis α Definition des ebenen Spannungszustandes:, σ1; σ 2 und und σ 3 = = σ2 Das Spannungsverhältnis α wird definiert als: α = σ Für die hydrostatische Spannung gilt dann: Die Komponenten der Deviator-Spannung sind: 1 σ1 + σ2 + σ3 σh = 3 1 σh = ( 1 + α) σ1 3 σ 1 = σ 1 1 σ ( 2 h = α) σ1 3 σ 2 = σ 1 2 σ ( 2 1 h = α ) σ1 3 σ 3 = σ 1 3 σ ( 1 h = + α) σ

9 Formänderungsverhältnis β Analog zum Spannungsverhältnis α kann auch ein Formänderungs-verhältnis β definiert werden: ϕ2 β = ϕ Aufgrund der Volumenkonstanz ergibt sich: Mit Hilfe der Fließregel ergibt sich also: 1 dϕ dϕ dϕ = = = dλ σ σ σ dϕ1 β dϕ1 = 1 1 ( 2 α) σ1 ( 2α 1) σ α 1 2β + 1 β = und α = 2 α 2 + β oder auch: ( 1 ) β = ϕ = + β ϕ 3 1 oder: dϕ1 dϕ2 = σ σ 1 2 dϕ2 dϕ 1 Spannungs- und Dehnungsraum Charakteristische Spannungs- und Dehnungs-zustände (Dehnpfade): Streckziehen Ebene FÄ Einachsiger Zug Tiefziehen Spannungsverhältnis α = σ 2 / σ 1 1,5-1 Formänderungsverhältnis β = ϕ 2 / ϕ 1 1 -,5-1 σ 2 einachsiger Zug Spannungsraum Fließort 1. Hauptformänderung ϕ 1 Ebene FÄ. (Plane Strain) Dehnungsraum σ 1 2. Hauptformänderung ϕ

10 Einflussgrößen beim Tiefziehen D d Ausgangsdurchmesser der Platine Aktueller Platinendurchmesser F NH Stempel Niederhalter D St Stempeldurchmesser F P r St Stempelradius Matrize r M F NH Ziehkantenradius Niederhalterkraft r M r St F St Stempelkraft D St Ziehverhältnis: d β = D dd p St d D Tiefziehen Werkstoffüberfluss Flansch Rotationssymmetrische Tiefziehteile: Nicht-rotationssymmetrische Tiefziehteile: Quelle: Eberherdt, G. Hochschule Pforzheim 2ß11 Beim Tiefziehen findet eine radiale Streckung und tangentiale Stauchung des Blechwerkstoffes statt

11 Spannungen in der Umformzone σ N σ r F NH F NH σ t F St σ r σ N σ t Niederhalter Stempel Flansch σ r Matrize σ r σ t σ r σ r σ t -28- Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen F Nmax Reißer NiederhalterkraftF N Arbeitsbereich Falten Ziehtiefe h -3-

12 Versagensfälle beim Tiefziehen Bodenreißer Gegenmaßnahme: z.b. Niederhalterkraft verringern, Ziehkantenradius und/oder Stempelradius erhöhen, Ziehspalt vergrößern Faltenbildung 1. Ordnung am Flansch Gegenmaßnahme: z.b. Niederhalterkraft erhöhen, Reibung im Flansch erhöhen Faltenbildung 2. Ordnung in der Zarge Gegenmaßnahme: z.b. Niederhalterkraft erhöhen, Platinendurchmesser erhöhen, Verwendung von Ziehwülsten, Ziehspalt verkleinern, Ziehkanten- und Stempelradius verkleinern Zipfelbildung Ursache: Ebene Anisotropie des Blechs Gegenmaßnahme: Keine / Stoffflusssteuerung Geometrische Einflussgrößen beim Tiefziehen Ziehkantenradius r M Radius zu klein Bodenreißer Niederhalter Radius zu groß Flanschfläche wird verkleinert Matrize F St F NH Stempelradius r St Stempel Radius zu klein Stempel schneidet das Blech Ziehspalt u Ziehspalt zu groß Napf bleibt oben aufgeweitet Faltenbildung 2. Ordnung Ziehspalt zu klein Abstreckziehen, erhöhte Ziehkraft Bodenreißer evtl. Kaltverschweißung

13 Wandstärke des Napfes (1) Am Rand des Blechs (Punkt A) ist der Spannungszustand einachsig: T = T, T =, T = θ f φ Daher ist der Formänderungszustand: ϕ 1/ 2ϕ θ = ln( r / r ), ϕφ = ϕt = t θ Die Blechdicke ist daher: ϕ t = 1 r ln 2 r oder: s = s r r Offensichtlich steigt die Blechdicke. Am Blechrand gilt: s A = s r r i Wandstärke des Napfes (2) Ungefähr bei Punkt B gilt: Tθ Tφ α = 1 β = 1 Daher: ϕ Demzufolge: B s s Bei Punkt C gilt, infolge der Ausstreckung: s θ = φ t C < s ϕ ϕ = Aus Messungen ist bekannt:,94s < s < 1,4 s m Daher genügt oft die Annäherung: mittlere Blechdicke sm s

14 Grenze des Ziehverhältnisses Das Ziehverhältnis ist definiert durch: β = d d St d d i Der radiale Kraftanteil am inneren Radius r m wird beschrieben durch: r Tφ, m = Tf ln ri Wegen der Annahme, dass die Zarge unter einachsiger Zugspannung steht, gilt: Tφ,m Tf oder: r ln 1 ri Daraus folgt: ( r r ) = β e = 2,72 max i max Daher ist die maximale Ziehtiefe h eines Zuges: r ri r i r h = 1 2 ri 2 r i h 3, 2 r = 1, 6 d max i i Reales Teifziehbauteil Mehrstufige Abfolge

15 Erhöhung des Ziehverhältnisses Direktes schrittweises Ziehen Rückwärtsziehen Die äußere Oberfläche bleibt die Außenseite Die innere Oberfläche des ersten Zuges wird zur äußeren Oberfläche des zweiten Zuges Quelle: N. Bay (22) Einschränkung der FLC Die Grenzformänderungs-Kurve gilt nur für lineare Dehnungspfade, es gilt: β ϕ ϕ 2 = = 1 konst. Im Allgemeinen liegen nicht-lineare Dehnungspfade vor: ϕ 1 ε max ϕ 1 ε max ϕ ϕ2 ε min 2 ε min

16 Erhöhung des Ziehverhältnisses Konventionell Verfahren Unkonventionelle Verfahren Quelle: N. Bay (22) Verfahrensvarianten Tiefziehen Wirkmedienbasierte Umformung Hydromechanisches Tiefziehen Pneumomechanisches Tiefziehen

17 Hydromechanisches Tiefziehen Prozesscharakteristika: Große Grenzziehverhältnisse möglich ( bis β max = 2,7) Reduzierung von Umformschritten Gleichmäßigere Spannungsverhältnisse im Bauteil Hohe Form- und Maßgenauigkeit Konische Bauteile möglich Wirkmedium: Wasser-Öl-Emulsion Stempel Wasserkasten Verfahrensvarianten Tiefziehen Wirkmedienbasierte Umformung Hydromechanisches Tiefziehen Pneumomechanisches Tiefziehen -41- Drosselventil -42-

18 Pneumomechanisches Tiefziehen Prozesscharakteristika: Kombination aus wirkmedienbasierter Umformung und Tiefziehen Vorumformung mit gasförmigen Wirkmedien (z.b. Druckluft) Höhere Ausstreckung, höhere Beulfestigkeit und geringere Rückfederung Verringerung der Stufenzahl Verfahrensvariante Abstreckziehen Stempel -44- Niederhalter Ziehmatrize Absteckziehmatrize VAW Aluminium AG (21) -43-

19 Möglichkeiten der Stoffflusssteuerung Quelle: Forstmann (2) Zuschnittsermittlung für Platine via Abwicklung Annahmen bei Zuschnittsermittlung: Volumenkonstanz und konstante Blechdicke während der Umformung Quelle: Eberlein, L. Umform- und Zerteiltechnik

20 Platinendurchmesser für rotationssymmetrische Bauteile d 1 h 2 D = d + 4d h 1 1 d 2 2 D = d + 4d h 2 1 d 1 h D = d 4h 1 D d 2 D = d d 1 2 Platinenzuschnitt für rechteckige Bauteile Platinenzuschnitt Abwicklung auf Basis gleicher Flächeninhalte: R = r E r h E h = h = h + r a (keine Berücksichtigung der Ziehring- und Bodenradien) b E Kontur des Werkstücks Platinenkontur

21 Stoffflusssteuerung Tiefziehen via Ziehleisten (Ziehsicken) Ziehleisten Bei Ziehteilen mit flachen, rechteckigen oder unregelmäßigen Formen Ziehleisten werden nur an den Seiten angeordnet und bremsen dort den Platineneinzug An den Ecken kann das Material ungehindert fließen Niederhalter Stempel Matrize Ziehleiste Stoffflusssteuerung Tiefziehen via Tuschieren (SMG)

22 Tuschierprozess Problemstellung Niederhalter Stempel Matrize F NH F NH Tuschiervolumen Ideale Situation (Werkzeugsteifigkeit C ) Reale Situation (Werkzeugsteifigkeit C ) Tuschieren Tuschierfarbe abdrücken (Vogel) Manuelle Nacharbeit (Schnupp) Resümee: Einarbeitung ist stets erforderlich Blechbauteil liegt gefertigt vor Keine Werkzeugbeschichtung im Vorfeld möglich Einfluss Anisotropie Zipfelbildung Quelle: Deutsches Kupferinstitut Unter wird eine Richtungsabhängigkeit verstanden. Die Folge der Anisotropie, der Richtungsabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften sind beispielsweise unterschiedliche Zargenhöhen bei einem tiefgezogenen Napf. Zipfelbildung

23 Anisotropie Betrachtungsweise 1. Kristall-Anisotropie Orientierung der Körner in eine bestimmte Vorzugsrichtung (Textur) 2. Gefüge-Anisotropie Verlängerung von Körnern und nicht metallischen Einschlüssen wie Silikatschlacken oder Mangansulfiden Mechanische Anisotropie: Richtungsabhängigkeit der elastischen und plastischen Werkstoffkennwerte (z.b. Fließspannung, E-Modul, Zugfestigkeit etc.) Quelle: N. Bay, K. Lange Ursache der Anisotropie Bevorzugte Orientierung der Körner verursacht ein richtungsabhängiges Verhalten (Anisotropie). Der Einfluss der Anisotropie kann in der Blechumformung gut beobachtet werden, da Bleche durch Walzen hergestellt werden

24 Beschreibung der Anisotropie Die Anisotropie für Bleche wird durch den sogenannten Anisotropie-Koeffizienten r (Lankford Parameter) beschrieben: b1 ln ϕb b r = = ϕ t t 1 ln t wobei φ b und φ t die Umformgrade in Breiten- und Dickenrichtung sind. t l b Vor der Umformung F t 1 b 1 l 1 F umgeformt Der r-wert ist nicht konstant, sondern abhängig vom Umformgrad. Daher die Vereinbarung, den Anisotropie-Koeffizienten bei einer Dehnung von 2 % anzugeben Anisotropiewerte Die Anisotropie wird durch drei r-werte beschrieben. Diese Werte werden in Walzrichtung, 9 zur Walzrichtung und 45 zur Walzrichtung ermittelt. Probe längs zur WR, r Probe 45º zur WR, r 45 Probe quer zur WR, r 9 Senkrechte Anisotropie r n r Ebene Anisotropie Walzrichtung (WR) Walzrichtung (WR) -56-

25 Senkrechte und ebene Anisotropie Der durchschnittliche r-wert, genannt senkrechte Anisotropie, ist folgendermaßen definiert: r n r + 2r + r 45 9 = o o o 4 Die Verteilung der r-werte über die Blechebene wird durch die ebene Anisotropie r beschrieben: r + r 2r 9 45 r = o o o 2 r > 1: Werkstoff fließt aus der Breite r = 1: Werkstoff fließt gleichmäßig aus Dicke und Breite r < 1: Werkstoff fließt aus der Dicke Bedeutung der r-werte für den Umformprozess Geometrische Interpretation von r Zipfelbildung r-wert r r : Zipfelbildung r = : keine Zipfelbildung Winkel zur Walzrichtung

26 Fließbedingung für Werkstoffe mit anisotropen Eigenschaften Für den ebenen Spannungszustand gilt: k 2r = σ r 1 σ σ + + σ f r = r = r 9 Fließkriterium inkl. Anisotropie nach Hill 1948 Für Stahlwerkstoffe gute Ergebnisse Bei Nichteisenmetallen mit r <1 deutlich reduzierte Genauigkeit Nach R. Hill Anisotropiekennwerte bei verschiedenen Werkstoffen Werkstoff r n r Tiefzieh-Stahl (DC1- DC7; kalt gewalzt) 1,3 bis 2, bis zu,7 Edelstahl,7 bis 1,1 -,25 bis,2 TRIP-Stahl,9 über -,3 Aluminium- Legierungen Kupfer,6 bis,8 Messing,8 bis 1, Zink-Legierung,2 bis,6,6 bis,8 -,6 bis -,15 Titan-Legierung 2, bis 8, bis zu 4,