Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rückfederungskompensation mittels Tiefziehen mit wechselseitigem Platineneinlauf

Aufgrund verbesserten Crasheigenschaften und der Möglichkeit zur Gewichteinsparung im Automobilbau, werden heute für die Herstellung von Karosseriestrukturbauteilen hoch- und höchstfeste Stahlblechwerkstoffe eingesetzt. Da es bislang keine geeignete Methode für die Herstellung solcher Bauteile bei Raumtemperatur existiert, werden zahlreiche Strukturbauteile mittels Presshärtens hergestellt. Das Presshärten stellt ein relativ teureres und technologisch aufwendiges Verfahren dar, und wird hauptsächlich im Produktionsprozess der Großunternehmen eingesetzt.

Das Ziel dieses Projektes stellt die Entwicklung einer Methodik zur Kompensation bzw. Vermeidung der Rückfederung durch das Tiefziehen mit wechselseitigem Platineneinlauf in mehreren Umformstufen. Bei diesem Verfahren kommt es zum mehrmaligen Biegen und Rückbiegen des Werkstückes über die Werkzeugradien, wodurch die in einzelnen Werkstückbereichen in Blechdickenrichtung wirkende Spannungen entsprechend überlagert werden. Zur Erreichung des Projekthauptziels erfolgen zunächst simulative Untersuchungen zum Einfluss der Werkzeug- und Prozessparameter auf die Spannungsüberlagerung als auch der verursachten Rückfederung in jeder betrachteten Umformstufe. Diese Untersuchungen erfolgen am Beispiel eines einfachen U-Kanals. Für das in der Simulation genaue Beschreiben des Werkstoffverhaltens während des mehrmaligen Biegens müssen dabei die Effekte wie die dehnungsabhängige Reduzierung des E-Moduls und Bauschinger-Effekt berücksichtigt werden. Anschließend folgt die Erweiterung der zu entwickelnden Methodik auf einer realitätsnäheren Geometrie. Nach der danach werdenden experimentalen Validierung der Simulationsergebnisse wird das Bauteilspektrum festgelegt, welches mit diesem neuartigen Verfahren hergestellt werden kann.

Mit Hilfe des in diesem Projekt zu entwickelten und im Vergleich zum Presshärten deutlich günstigeren Verfahrens können die dafür geeignete Strukturbauteile bei den KMU hergestellt werden.

Ergebniszusammenfassung:

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.

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.