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Leichtbau

Versagensgerechte Bestimmung von Werkstoffen für die Umformung

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Zur Sicherstellung der Bauteilqualität ist es unabdingbar, den in der laufenden Serienproduktion eingesetzten Werkstoff hinsichtlich seiner unterschiedlichsten Anforderungen bezüglich Festigkeit, aber auch bezüglich seiner Verarbeitbarkeit und deren Grenzen so adäquat wie nötig und so schnell wie möglich zu charakterisieren. Zu der Verarbeitbarkeit zählen neben der Umformbarkeit des Werkstoffes in verschiedenen umformenden Fertigungsverfahren, wie Tiefziehen, Prägen und Falzen, auch Kriterien wie Oberflächengüte nach dem Umformen, Fügbarkeit und Lackierfähigkeit.

Zugversuch bildet Eigenschaften von Leichtbauwerkstoffen nicht ausreichend ab

Den fundamentalen Versuch der Materialprüfung von Blechwerkstoffen bildet der seit Jahrzehnten etablierte und nach DIN 6892 standardisierte uniaxiale Zugversuch. Dieser dient zur Absicherung der Festigkeitseigenschaften sowie zur Charakterisierung der Umformbarkeit auf niedrigstem Niveau.

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Jedoch hat sich gezeigt [1], dass mittels Zugversuch chargenspezifische Unterschiede von Blechwerkstoffen im Hinblick auf das Umformverhalten in Fertigungsverfahren, bei welchen andere Umformmechanismen als im Zugversuch aktiviert werden, mit dem Einsatz von modernen Leichtbau-Blechwerkstoffen zunehmend schlechter abgebildet werden können. Zudem ist die Kennwertermittlung derart robust gestaltet, dass die ermittelten Kennwerte zwar eine hinreichende Reproduzierbarkeit besitzen, es ihnen jedoch an ausreichender Sensitivität mangelt, um Chargenschwankungen quantitativ hinreichend genau analysieren zu können [1].

Aus diesem Grund kommt zur konventionellen Absicherung des Prozesses von Blechumformprozessen sowohl in der numerischen Umformsimulation wie auch in der Qualitätskontrolle laufender Prozesse in der Automobilindustrie die Grenzformänderungskurve (Forming Limit Curve, FLC), welche gemäß der Normschrift ISO 12004-1 experimentell ermittelt wird, zum Einsatz. Bei der Bewertung laufender Serienprozesse, zum Beispiel in modernen Presswerken, findet die Grenzformänderungskurve als versagensrelevante Umformgrenze zur Sicherstellung und Bewertung der laufenden Produktion zwischenzeitlich eine breite Anwendung in der Qualitätssicherung [2].

Für die Formänderungsanalyse wurde ein spezielles Umformwerkzeug aufgebaut

Die experimentelle Bestimmung einer Grenzformänderungskurve erfolgt gemäß der Norm ISO12004-1 mittels der Nakajima-Prüfung. Zu diesem Zweck wurde am Institut für Umformtechnik ein Nakajima-Prüfwerkzeug in einer Pressvorrichtung gemäß den normativen Vorgaben aufgebaut. Das Nakajima-Prüfwerkzeug (Bild 3) ist derart konstruiert, dass die Umformzone für ein Formänderungsanalyse-System frei einsehbar ist.

Zur notwendigen Behinderung des Werkstoffflusses wird eine ausreichende Blechhaltekraft mittels Gasdruckfedern aufgebracht. Als Probenformen kommen sieben verschiedene Formen zur Einstellung einzelner Formänderungszustände zum Einsatz. Bild 4 zeigt zum Vergleich eine Grenzformänderungskurve eines weichen Stahlblechwerkstoffes (DX56), eines Dualphasen-Stahlblechwerkstoffes (DP600) und einer Aluminiumlegierung AA6016.

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