Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulation des Rückfederungsverhaltens federharter Bänder beim Biegen

Ein zentrales Thema der industriellen Federnherstellung ist die prozesssichere Verarbeitung federharter Bänder (Rm = 1500–2200 MPa). Ziel des Projektes ist es, die relevanten Fragestellungen des material- und prozessbedingten Rückfederungsverhaltens dieser Werkstoffklasse mit experimentellen und analytischen Methoden vertieft zu untersuchen. Das spezifische mechanische Verhalten ausgewählter Chargen des metastabilen austenitischen Federstahls 1.4310 wird anhand von Experimenten zur Materialcharakterisierung ermittelt und mittels geeigneter Materialgesetze abgebildet. Im numerischen Modell sind daneben insbesondere die typischen prozessseitigen Gegebenheiten der Biegeprozesse physikalisch detailgetreu zu berücksichtigen. Eine umfangreiche Parametervariation, die die relevanten material- und prozessseitigen Einflussparameter abdeckt, dient der Identifikation signifikanter Wirkzusammenhänge im Biegeprozess. Deren Abbildung im FE-Modell wird anhand von Experimenten und Modellversuchen validiert. Durch eine qualitative und quantitative Beurteilung der Wirkung (und Wechselwirkung) einzelner Prozessparameter soll ein wesentlicher Beitrag dazu geleistet werden, das Prozessverständnis für das Biegen federharter Bänder allgemein zu erhöhen und die Voraussagegenauigkeit von Rückfederungsberechnungen gemäß der Aufgabenstellung (1.4310, Rm = 1500–2200 MPa) zu verbessern. Dieses Forschungsvorhaben ist für alle Akteure – insbesondere in der von KMU geprägten Federnindustrie – von Bedeutung, die auf den Gebieten der Charakterisierung, Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von ultrahöchstfesten Blechwerkstoffen und Halbzeugen tätig sind. Eine verbesserte Werkstoffbeschreibung federharter Bänder sowie eine exakte und zuverlässige Vorhersage des Rücksprungwinkels ermöglicht eine größere Anwendungsbreite dieser Werkstoffklasse und trägt zugleich zu einer wirtschaftlich bedeutsamen Verringerung von Ausschussteilen, Stillstandzeiten und Nachstellvorgängen in der Serienproduktion bei.

Ergebniszusammenfassung:

Das hochelastische Werkstoffverhalten, das für die Gewährleistung der Federeigenschaften essentiell ist, hemmt gleichermaßen die prozesssichere Einhaltung enger Toleranzen während der Federnfertigung. Die nach der Umformung zwangsläufig auftretende Rückfederung erschwert die konstruktive Auslegung und Umsetzung der verwendeten Stanz-Biege-Prozesse, zumal sich die Rückfederung mit den gewählten Werkstoff- und Prozessparametern ändert. Mit experimentellen und analytischen Methoden wurden vertiefte Erkenntnisse zum spezifischen elastisch-plastischen Werkstoffverhalten von fünf ausgewählten Chargen des metastabilen austenitischen Federstahls 1.4310 (Rm =1500–1800 MPa) erzielt und in detaillierten Materialkarten abgebildet. Die technologischen und numerischen Untersuchungen erfolgten exemplarisch unter gezielter Parametervariation anhand eines einstufigen Biegeprozesses (Gesenkbiegen). Es wurde eine mittlere Voraussagegenauigkeit des Rückfederungswinkels von Δα < 1° erreicht. Das erprobte Vorgehen ist auf andere Werkstoffe und Biegeverfahren übertragbar. Die erreichte, verbesserte Werkstoffbeschreibung federharter Bänder sowie die nun realitätsnah und zuverlässig mögliche Vorhersage des Rückfederungwinkels ermöglicht eine größere Anwendungsbreite dieser Werkstoffklasse und trägt zugleich zu einer wirtschaftlich bedeutsamen Verringerung von Ausschussteilen, Stillstandzeiten und Nachstellvorgängen in der Serienproduktion bei.