Optimierung der Tiefzieheignung von Blechen mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bislang sind die Zusammenhänge zwischen den in Blechen auftretenden Spannungen, den Prozessparametern und den Versagenserscheinungen (wie z.B. Reißer und Rückfederung) beim Umformvorgang nicht ausreichend geklärt. Um diese Sachverhalte näher untersuchen zu können, ist ein am IZFP entwickeltes elektromagnetisches Prüfverfahren in seiner Funktionalität erweitert und für Eigenspannungsmessungen während des Tiefziehprozesses qualifiziert worden. Hierzu erfolgte im Rahmen des oben genannten Forschungsvorhabens die Entwicklung eines neuartigen, miniaturisierten elektromagnetischen Drehfeldsensors zur mehrachsigen Erfassung von Spannungen und Dehnungen. Beim Tiefziehen kommt es im Bereich des zargenseitigen Stempelkantenauslaufs häufig zu Bauteilfehlern in Form von Reißern, da in dieser Blechzone ein ebener Dehnungszustand, der so genannte „Plane Strain" vorherrscht. Dieser führt zu signifikanten Blechausdünnungen und in Verbindung mit den hohen zu übertragenen Spannungen häufig zum Bauteilversagen. Der kritische Belastungsfall der ebenen Dehnung kann mithilfe des am IFUM entwickelten Kreuzzugversuchs nach Huck modellhaft nachgebildet werden. Aus diesem Grunde wurde der vom IZFP entwickelte Drehfeldsensor in einem ersten Schritt unter anderem auf diese Weise erprobt. Mit den in den Kreuzzugversuchen ermittelten magnetischen Polfiguren ist die Definition kritischer und unkritischer Belastungsbereiche möglich. Basierend darauf wurden Tiefziehversuche durchgeführt. Hierzu erfolgte die Implementierung des Drehfeldsensors in einen Tiefziehstempel und die Aufnahme magnetischer Polfiguren während der Umformprozesse. Abhängig von der Stahlgüte und den eingestellten Niederhalterkräften konnten unterschiedliche Polfiguren ermittelt werden. Für jede Kombination von Werkstoff und Niederhalterkraft zeigte sich während des Tiefziehversuches eine systematische Veränderung der Form der magnetischen Polfiguren. Die Form der Polfigur, die ein Maß für den jeweiligen Spannungszustand im umgeformten Blech ist, kann somit auch Rückschlüsse auf einen kritischen Belastungsfall zulassen. Aus diesen magnetischen Polfiguren wurden Prüfgrößen abgeleitet und als Funktion des Stempelweges aufgezeichnet. Besonders vor dem Auftreten eines Reißers zeigte sich ein charakteristisches Prüfgrößenverhalten. Mit diesen Untersuchungsergebnissen wurden erste Grundlagen für eine mehrachsige Online-Überwachung von Tiefziehprozessen geschaffen. Die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass die Anwendungsmöglichkeiten des elektromagnetischen 3MA-Drehfeldsensors auf die Bestimmung weiterer Zielgrößen erweitert werden können. Dies wäre beispielsweise eine Bestimmung der Blechdicken während des Umformvorganges. Auch die Schaffung einer Datenbank zur Kalibrierung vieler unterschiedlicher Blechwerkstoffe wäre anzustreben. Eine weitere Miniaturisierung des Drehfeldsensors ist sinnvoll, um die kritischeren Zonen im Bereich des Stempelkantenradius komplex gestalteter Werkzeuge überwachen zu können. Zur Erschließung industrieller Anwendungen müsste zudem die Messgeschwindigkeit gesteigert und der Verschleißschutz des Sensors verbessert werden. Durch eine Optimierung der Sensorhalterung im Stempel bezüglich der Dreh-Kipp-Achse ließe sich die Anfangsphase des Umformvorganges genauer erfassen. Die Anwendung der 3MA-Technologie im aktuellen Stand der Entwicklung und in optimierter Form liegt vor allem in den Bereichen der Werkzeug- und Prozessentwicklung sowie in der Einarbeitung. Ein weiteres Einsatzgebiet erschließt sich durch die Nutzung der Messdaten als Eingangsgrößen für eine Prozessregelung. So ließen sich beispielsweise lokale Niederhalterpressungen auf Basis der detektierten Spannungen beziehungsweise Blechausdünnungen individuell an den jeweiligen Umformvorgang anpassen. Eine andere Möglichkeit, den elektromagnetischen Drehfeldsensor einzusetzen, wäre die Überwachung von Texturierungen von Blechen, wie sie beispielsweise bei Walzprozessen erfolgen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influences on the Part Quality in Conventional Deep Drawing Processes. 4th German-Japanese Seminar "Materials, Processes and Components", Karlsruhe, 2005
Behrens, B.-A.; Kröning, M.; Altpeter, I.; Kopp, M.; Yun, J.-W.; Schäffner, C.; Sunderkötter, C.
- Influences on the Part Quality in Conventional Deep Drawing Processes. International Conference on Steels in Cars and Trucks, Wiesbaden, 2005
Kröning, M.; Behrens, B.-A.; Altpeter, I.; Kopp, M.; Yun, J.-W.; Schäffner, C.; Sunderkötter, C.
- Influences on the Part Quality in Conventional Deep Drawing Processes. European Conference on Non-Destructive Testing, Berlin, 2006
Altpeter, I.; Kopp, M.; Kröning, M.; Behrens, B.-A.; Milch, M.; Schäffner, C.
- Nondestructive Characterizing of Stress States in Conventional Deep Drawing Processes by Means of Electromagnetic Methods. The 13th International Workshop on Electromagnetic Nondestructive Evaluation ENDE 2008, Korea, 2008
I. Altpeter; C. Sklarzyk; M. Kopp; M. Kröning: B.-A. Behrens; C. Schäffner
