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LEISTUNGEN

Umformwerkzeuge, Umformsimulation, Rückfedern beherrschen

Die Simulation von Umformprozessen spielt in der Automobilindustrie und bei ihren Zulieferern eine immer wichtigere Rolle. Die Umsetzung von Leichtbaukonzepten wird oft noch dadurch erschwert, dass das Rückfederungsverhalten von höherfesten Stählen, aber auch von Aluminium anders ist als bei den bisher überwiegend eingesetzten Blechen.

Das Phänomen der elastischen Rückfederung oder des Rücksprungs stellt eine große Herausforderung beim Bau von Umformwerkzeugen dar. Denn damit die gefertigten Teile nach dem Umformen die gewünschte Geometrie aufweisen, muss das Rücksprungverhalten in der Geometrie der Werkzeuge kompensiert werden.

Die Herstellung von Umformwerkzeugen für neue Leichtbauwerkstoffe ist daher noch in hohem Maß auf "trial-and-error" angewiesen, da die meisten Simulationswerkzeuge bei der Vorhersage des Rückfederns noch große Schwächen haben. So werden oft mehrere zeit- und kostenintensive Iterationsschleifen benötigt, bevor eine Form zufrieden stellend funktioniert.

Mit Hilfe des Streifenziehbiege-
versuchs hergestellte Hutprofile
aus verschiedenen Blechwerkstoffen.

Das Rücksprungverhalten hängt sehr stark vom Werkstoff ab, wie das nebenstehende Bild zeigt. Daher besteht ein großer Bedarf an Simulationstools, die die Rückfederung besser als bisher vorhersagen können. Dadurch wird die Einführung neuer Werkstoffe in die Praxis erleichtert.

Die Umformsimulation stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Methoden und Programme. Wegen der meist erforderlichen sehr großen Modelle werden zur Modellierung des Blechs üblicherweise Schalenelemente verwendet, welche je nach Formulierung die Variationen von Dehnungen und Spannungen über die Blechdicke nur eingeschränkt abbilden können. Außerdem werden die Umformwerkzeuge meistens als Starre Körper abgebildet und ihre elastischen Eigenschaften vernachlässigt. Weitere Schwierigkeiten liegen in der korrekten Abbildung der Prozessparameter und insbesondere von Kontakt und Reibung.

Einen Schwerpunkt der Arbeiten des IWM in den letzten Jahren bildet die Entwicklung von geeigneten Werkstoffmodellen. Eine Voraussetzung hierfür ist das Verständnis der wichtigsten beim Tiefziehen auftretenden Vorgänge. Dazu wird ein Blechstreifen betrachtet, der über eine Ziehkante gezogen wird: Beim Tiefziehen wird das umzuformende Blech typischerweise nacheinander in unterschiedliche Richtungen plastisch verformt.

Die Animation zeigt einen Blechstreifen, der über eine Ziehkante gezogen wird. Man erkennt, dass während des ersten Biegevorgangs, das heißt beim Durchgang durch die Ziehkante, Zugspannungen (rot) im äußeren Bereich des Bleches und Druckspannungen (blau) innen auftreten. Beim Rückbiegen des Blechs im geraden Teil kehrt sich diese Spannungsverteilung um, und es verbleiben Zugspannungen innen und Druckspannungen außen.

Beim Entfernen der Werkzeuge werden diese Spannungen freigesetzt und das Bauteil verformt sich entsprechend.

Entscheidend für die Rückfederung ist also der Spannungszustand im Blech, der sich nach einer meist komplexen Belastungsgeschichte einstellt.

Das Fließverhalten von Metallen bei Belastungsumkehr hängt von der Ver- formungsgeschichte ab (Bauschinger-Effekt). Damit hängt auch der nach dem Umformprozess im Blech vorhandene Eigenspannungszustand davon ab, in welcher Weise das Material auf die wechselnde Verformung reagiert. Daher müssen für eine genaue Rückfederungssimulation diese Effekte berücksichtigt werden. Für die Beschreibung dieser Vorgänge stehen Materialmodelle zur Verfügung, die auf Chaboche zurückgehen. Das Bild zeigt im Spannungsraum schematisch die beiden Grenzfälle »isotrope Verfestigung« und »kinematische Verfestigung«, sowie die Beschreibung im Werkstoffmodell.


	Isotropic hardening: (Expansion of the yield surface)	Kinematic hardening: (Translation of the yield surface)

Die Materialparameter des Modells werden anhand von ZSD-Kurven (zyklische Spannungs-Dehnungskurven) ermittelt.

In einer servohydraulischen Prüfmaschine können im IWM auch an Blechwerkstoffen ZSD-Kurven gemessen werden. Als Beispiel sind hier für einen ZStE220 Stahl die gemessenen Kurven sowie die Anpassung des Modells dargestellt. In diesem Fall gibt es in der Verfestigung 25% kinematische und 75% isotrope Anteile. Die meisten bisher untersuchten Werkstoffe zeigen eine Mischung aus isotroper und kinematischer Verfestigung.

Die Bilder zeigen, wie sich beim Ziehen über eine Ziehkante die Spannungen über die Blechdicke entwickeln. Dargestellt ist jeweils die rechte Hälfte der Struktur (Symmetrie). Der Stempel drückt das Blech nach oben in die Matrize, es sind die Spannungskomponenten in Blechlängs- richtung dargestellt. Die Aussenseite der Hutprofile ist in den Bildern jeweils rechts, die Innenseite links.

großer Ziehradius (curl-out)

kleiner Ziehradius (curl-in)

Beim Ziehen über einen großen Radius wird jedes Blechelement erst in die eine, dann in die andere Richtung gebogen. Am Ende des Ziehvorgangs bleiben an der Außenseite des Blechs Zugspannungen (rot dargestellt), an der Innenseite Druckspannungen (blau). Nach dem Entformen werden sich die Flanken des entstandenen Hutprofils nach außen aufbiegen (Curl-out).

Bei kleinem Ziehradius erfahren die Blechelemente im senkrechten Teil der Matrize eine weitere Biegung. Das führt dazu, dass am Ende des Ziehvorgangs an der Außenseite des Blechs Druckspannungen (blau) auf- treten, an der Innenseite Zugspannungen (rot). Nach dem Entformen werden sich die Flanken des entstandenen Hutprofils nach innen biegen (Curl-in).

Insgesamt konnte bei einer ganzen Reihe von realen Bauteilen die Rückfedersimulation deutlich verbessert werden.

Von oben links nach unten rechts: A-Säule (ZStE-Stahl); Dachrahmen (DP-Stahl); Getriebetunnel (ZStE-Stahl); Steckverbindung (Cu); Radiator frame(Al); B-Säule (CPW-Stahl); Querträger (DP-Stahl)

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