Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Standardisierung der Fließkurvenermittlung für das Umformfügen

Die Qualität der Berechnungsergebnisse bei der FE-Simulation von technologischen Prozessen hängt unter anderen von den verwendeten Materialmodellen und Modellparametern ab. Dabei stellen die technologischen Prozesse, hier die mechanischen Fügeprozesse (Clinchen, Halbhohlstanznieten), spezifische Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Modelle. Für eine genaue Berechnung der Fügestellengeometrie und Abschätzung der Verbindungsfestigkeit sind z.B. Fließkurven die sowohl den Bereich der Anfangsfließspannung als auch die Fließspannung bei sehr großen Umformgraden exakt beschreiben erforderlich. Wegen der Vielzahl vom Methoden zur Fließkurvenermittlung und der Darstellung von Einflüssen auf die Größe der Fließspannung ergeben sich in der Praxis Probleme bei der Vergleichbarkeit von Berechnungsergebnissen verschiedener Institutionen und beim Vergleich mit Experimenten. Das macht zeit- und kostenaufwendige Kalibrierungen der Materialparameter erforderlich.

Im Projekt sollen die Grundlagen für eine Standardisierung der Methoden zur Ermittlung der Fließkurven für das mechanische Fügen erarbeitet werden. Es werden sowohl die Anforderungen an die Materialdatenermittlung aus den Beanspruchungszuständen als auch die Methoden zur Materialdatenermittlung systematisch untersucht und weiterentwickelt. Damit soll der Aufwand für die Kalibrierung bzw. Verifizierung von Fließkurven minimiert werden. Materialdaten, Berechnungsmodelle und Berechnungsergebnisse werden austauschbar und vergleichbar.

Ergebnis des Projektes ist unter anderem eine eindeutige Handlungsempfehlung für die Fließkurvenermittlung in der mechanischen Fügetechnik. Besonders die KMU profitieren von einer Standardisierung, weil dadurch deutliche Kostensenkungen für numerische Produktentwicklung möglich sind. Außerdem können durch die Weiterentwicklung der Methoden der FEM-Simulation Produktentwicklunsgzyklen bei den KMU deutlich reduziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

In dem hier beschriebenen Projekt wurde die Fließkurvenbestimmung für mechanische Fügetechniken wie Clinchen und Stanznieten untersucht. Dabei wurde eine prozessbasierende Methodik zur Auswahl des am besten geeignetsten Fließkurvenermittlungsverfahrens für Blechen entwickelt.

Das Auswahlverfahren basierend auf einer numerischen Spannungsanalyse des jeweiligen Fertigungsverfahrens. Die Grundidee besteht darin, den dominierenden Spannungszustand im Fügeprozess zu identifizieren. Diese Information wird zusammen mit der durchschnittlichen plastischen Dehnung mit dem am besten geeigneten Materialtest zur Identifizierung der Fließkurve verknüpft. Die Methodik wird auf die Fügeverfahren Clinchen und Halbhohlstanznieten angewandt und validiert. Bei plastisch isotropen Metallen kann die Fließkurve mit jedem Materialtest bestimmt werden, der es ermöglicht, mindestens eine echte plastische Dehnung von 0,5 zu ermitteln. In Bezug auf die maximal erreichbare wahre plastische Dehnung ist der Torsionsversuch in der Ebene allen anderen in diesem Projekt betrachteten Versuchen überlegen.

Für plastisch anisotrope Werkstoffe ist nachgewiesen, dass die vorgeschlagene Auswahlstrategie die Simulationsgenauigkeit beim Fügen durch Umformen verbessert. DC04 weist eine signifikante plastische Anisotropie auf. Beim Durchsetzfügen und Stanznieten von DC04 erwies sich durch die prozessbasierte Auswahlmethode der Stapelstauchversuchs (SCT) als am besten geeignet. Es wurde experimentell validiert, dass die SCT-Fließkurve tatsächlich das genaueste Simulationsergebnis liefert, wodurch die in diesem Bericht vorgeschlagene Auswahlmethode bestätigt wurde.