Ebenes Recken von Blechen mittels konvexer Werkzeugformelemente
Final Report Abstract
Gegenstand der Untersuchungen war die Entwicklung eines Werkzeugkonzeptes zum kombinierten Recken und Tiefzeihen von Blechen mittels konvexer Formelemente. Dieses Ziel konnte vollständig erreicht werden und wurde in einem Prototypwerkzeug zur Herstellung von Kraftfahrzeug Türbeplankungen umgesetzt. Das entwickelte Werkzeugkonzept basiert auf einem einfachen Werkzeugaufbau, welches jeweils zwei ineinandergreifende Verbunde konvexer Formelemente beinhaltet, die durch das Schließen des Werkzeuges ineinandergreifen. Die Platine wird je nach Eingriff einzelner Formelemente alternierend gebogen und über die Ziehkantenradien zwischen den jeweils eingreifenden Formelementen eingezogen, wodurch die Platine vor dem anschließenden Tiefziehvorgang eben gereckt wird. Ausgangspunkt der Entwicklung bildeten Grundlagenuntersuchungen zur Ermittlung prozessrelevanter Größen, die sowohl mit Hilfe der FE-Prozesssimulation als auch mit Hilfe von Versuchseinrichtungen gewonnen werden konnten. Zunächst wurden tribologische und geometrische Parameter, die Einfluss auf den Prozess besitzen, untersucht. Aus diesem ersten Kernabschnitt der vorliegenden Arbeit resultieren folgende Ergebnisse: Es wurden verschiedene Werkstoffreibpaarungen untersucht, mit dem Ziel, geeignete Beschichtungen für eine optimale Zugkraftinduktion während des Reckvorgans zu identifizieren. Die geometrischen Abmessungen der ineinander greifenden Formelemente wurden untersucht. Hierbei wurden Konzepte für die Radien der Formelemente erstellt und mittels FEM optimiert. Weiterhin wurden verschiedene Eingriffsprofile der Formelemente entwickelt und derart optimiert, dass die zum Recken notwendige Zugkraft in möglichst geringer Zeit bzw. während eines kurzen Hubs aufgebracht wird, sodass kurze Prozesszeiten möglich sind. Aus den Grundlagenuntersuchungen konnten schließlich drei Geometrievarianten abgeleitet und näher untersucht werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde zunächst ein Versuchswerkzeug zum Recken von Blechstreifen entwickelt und es wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Aus diesem Abschnitt der vorliegenden Arbeit resultieren folgende Ergebnisse: Der Reckvorgang durch das ineinandergreifen der Formelemente wurde durch Variation geometrischer und tribologischer Größen optimiert. Durch Einsatz verschiedener Formelemente wurden Blechstreifen auf bis zu 9% gereckt. Die Dehnung und die wirkende Zugkraft wurden während des Prozesses gemessen und anschließend ausgewertet. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Validierung der Simulation herangezogen, sodass die Entwicklung eines Werkzeuges zur Herstellung einer Türbeplankung virtuell erfolgen konnte. Der zweite Kernabschnitt der Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Werkzeugkonzeptes zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen. Hierbei wurde ein seriennahes Werkzeugkonzept basierend auf der neuen Technologie zur Herstellung einer definiert vorverfestigten Kfz-Türaußenhaut hergeleitet. Die erzielten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die in den Voruntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der geometrischen Abmessungen der Formelemente wurden bei der Entwicklung eines innovativen Werkzeugkonzeptes eingesetzt und damit in praktischer Anwendung erfolgreich validiert. In experimentellen Untersuchungen wurde das neue Werkzeugkonzept erprobt und in seiner Funktion reproduzierbar bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass das Werkzeugkonzept sowohl ein einfaches Tiefziehen als auch die Kombination des Reckens und Tiefziehens in einem Pressenhub ermöglicht. Im Rahmen experimenteller Versuche wurde nachgewiesen, dass durch einen gezielten Platinenbeschnitt unterschiedliche Verfestigungsniveaus im gesamten Bauteil in Stufen reproduzierbar einstellbar sind. Fazit: Die in dieser Arbeit entwickelte Technologie zum kombinierten Recken und Tiefziehen hebt sich von den bisher bekannten Verfahren dadurch ab, dass zur Funktion keine gesonderten Antriebs- und Steuerungselemente erforderlich sind. Das Funktionsprinzip des neu entwickelten Werkzeugkonzeptes basiert auf einer starren, einfach gestalteten Werkzeuggeometrie, die ein getrennt definiertes Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen aus Feinblech in einem kontinuierlichen Pressenhub erlaubt. Die für das Recken und Tiefziehen erforderlichen Umformkräfte werden innerhalb der Werkzeuggeometrie induziert, wodurch ein fließender Übergang zwischen den jeweiligen Prozesssequenzen des Reckens und Tiefziehens unter Beibehaltung der Fließspannung im umgeformten Ziehteilbereich gegeben ist. Folglich sind sehr kurze, seriennahe Prozesszeiten möglich. Das Werkzeugkonzept kann aufgrund der vorgesehenen Funktionsweise in einer einfachwirkenden hydraulischen oder mechanischen Presse betrieben werden. Insgesamt ist durch die charakteristischen Eigen-schaften der neu entwickelten Technologie eine bessere Zugänglichkeit zum Verfahren des kombinierten Reckens und Tiefziehens von Feinblechen gegeben. Abschließend ist festzuhalten, dass die gesetzten Ziele in vollem Umfang erfüllt wurden und die hierbei erarbeiteten Ergebnisse im Rahmen sowohl theoretischer als auch experimenteller Untersuchungen validiert werden konnten.
Publications
- Methoden zur Weiterentwicklung der SCS-Streckziehtechnologie. PAM-STAMP 2G Forum 2008, Bad Wildungen, 2008
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- Weiterentwickelte Simulationsmethoden machen SCS-Verfahren effizienter. blechnet online, Vogel Business Media GmbH und Co. KG, Würzburg, 2008
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- Weiterentwickelte Simulationsmethoden machen SCS-Verfahren effizienter. MaschinenMarkt, Vogel Business Media GmbH und Co. KG, Würzburg, 2008
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- Improved Tool Development Process for Novel SCS Technology for Aluminium Sheet Metal. 7th European LS-DYNA Conference, Salzburg, Austria, 2009
Papaioanu, A.; Schleich, R.; Liewald, M.
- Neue technologische Ansätze zum kombinierten Recken und Tiefziehen von Außenhautbeplankungen aus Feinblech. Dissertation, MAT INFO, Frankfurt, 2009
Vlahovic, D.
- Further development of the SCS Stretch-Forming Technology with assistance of Forming Simulation. 13th International ESAFORM Conference on Material Forming, Brescia, Italy, 2010
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- Optimiertes Streckziehen. Blech Rohre Profile, Meisenbach GmbH Verlag, Bamberg, 2010
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- Weiterentwicklung eines SCS Streck- und Tiefziehwerkzeuges zur Herstellung von Türaußenhautteilen. UTF Science, Meisenbach GmbH Verlag, Bamberg, 2010
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- Study on SCS Process by Variation of Geometrical and Tribological Parameters of Forming Die. IDDRG Conference, Bilbao, Spain, 2011
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