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Numerische Optimierung des Tiefziehprozesses beim Einsatz von Ziehsicken durch die Entwicklung eines fundierten erweiterten Ersatzmodells

Laufzeit:01.10.2012 – 31.03.2015
Förderung:AiF / FOSTA
Kontakt:femifum.uni-hannover.de

Erzielte Ergebnisse und deren Anwendungsmöglichkeiten:

Aufgrund von steigenden Anforderungen in der Automobilindustrie werden immer komplexere Außenhautteile tiefgezogen. Dies geschieht unter Anwendung von Ziehsicken, die Bestandteil des Werkzeugs sind. Durch die Sickengeometrie kann der Materialfluss und die Ausstreckung gesteuert werden. Die Werkzeugauslegung geschieht mittels der numerischen Prozessauslegung, welche zumeist auf die Finite-Elemente Methode (FEM) zurückgreift. Da eine geometrische Modellierung von Ziehsicken die Rechenzeit deutlich erhöht, werden hierzu bevorzugt Ersatzmodelle eingesetzt. Daher ist das Ziel die Erstellung und Validierung eines numerischen Ersatzmodells für Ziehsicken, welches neben den Kraft- und Reibungsverhältnissen die, durch den Sickendurchlauf entstehenden, Vorverformungen und Verfestigungen im Blechwerkstoff berücksichtigt. Die exakte und umfassende experimentelle Abbildung der tatsächlichen Verhältnisse sowie des Umformverhaltens beim Tiefziehen verschiedener Blechwerkstoffe in Werkzeugen mit Ziehsicken dient als Datenbasis.

Durch das Ersatzmodell kann auf eine geometrische Modellierung der Sicke verzichtet werden, somit wird der Aufwand der Simulation deutlich reduziert. Dies geschieht unter Berücksichtigung der vorherrschenden Prozessparameter und wird anhand von mehreren experimentellen Untersuchungen und einer Übertragung auf den Tiefziehprozess für zwei Blechwerkstoffe (1.0322 - Blechstärke 0,7 mm und 1.0943 - Blechstärke 1 mm) validiert.

Der Streifenziehversuch dient der Bestimmung der Reibkräfte beim Tiefziehen. Hierbei wird der Einfluss des Radius im Einlaufbereich auf das Verfestigungsverhalten, d. h. zwischen Ziehring und Stempel sowie die Reibung zwischen Ziehring und Niederhalter im Flanschbereich ermittelt. Zur Bestimmung des Einflusses der Ziehsickengeometrie  auf die Verfestigung wurde der Streifenziehversuch ohne Umlenkung durch den Einsatz modifizierter Ziehbacken durchgeführt, siehe Abbildung 1.

 Abbildung 1: Reibbacke mit Ziehsicke im eingebauten Zustand

Zur Absicherung der in den Modellversuchen erzielten Ergebnisse wurde ein Tiefziehversuch durchgeführt. Ein Hutprofil wurde unter Verwendung der untersuchten Sickengeometrie tiefgezogen.  Die resultierende Stempelkraft und die Öffnung des Niederhalters wurden erfasst. Anschließend wurden die Bauteile mittels GOM Atos vermessen und die Rückfederung, bzw. die sich einstellenden Ziehwinkel bestimmt.

Um die Ergebnisgüte der numerischen Simulation mit Ersatzmodell zu beurteilen wird der Kraft-Weg-Verlauf mit den Daten aus dem realen Tiefziehprozess und der Simulation mit geometrischen Sicken abgeglichen. In Abbildung 2 ist der Kraft-Weg-Verlauf aus Tiefziehprozess, numerischer Simulation mit Ersatzmodell und mit geometrischer Sicke gezeigt.

 

Abbildung 2:  Kraft-Weg-Verläufe des Stempels aus dem Tiefziehprozess und den numerischen Berechnungen für den Werkstoff 1.0322  mit einer Blechdicke von 0,7 mm

Bei einem Vergleich der resultierenden Kraft-Weg-Verläufe des Stempels aus dem realen Tiefziehprozess des Hutprofils und den numerischen Berechnungen mit geometrischer Sicke und Ersatzmodell ist festzustellen, dass diese eine sehr gute Übereinstimmung zeigen. Durch die Übereinstimmung der Verläufe von numerischer Berechnung mit Ersatzmodell und mit geometrischer Abbildung der Sicke kann gezeigt werden, dass das Ersatzmodell den Sickendurchlauf gut abbildet.

 

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben „Numerische Optimierung des Tiefziehprozesses beim Einsatz von Ziehsicken durch die Entwicklung eines fundierten erweiterten Ersatzmodells “, IGF-Projekt Nr. 17081 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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