Materialbeschreibung, Prüf- und Berechnungsmethoden Prüf- und Berechnungsmethoden Dr.-Ing. R. Steinheimer Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel R. S. 1 Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
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Materialbeschreibung, Prüf- und … · ϕε= ln ( t + 1) ϕ= ... “Wahrer” n = 0,202 Fehler 3% 0,17 0,18, Gemessenes n = 0,172 0 Fehler 15%-] 0,15 0,16 Berechnetes ϕ 0= 0,147
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Materialbeschreibung,Prüf- und BerechnungsmethodenPrüf- und Berechnungsmethoden
Dr.-Ing. R. Steinheimer
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R. S. 1Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
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R. S. 17Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Flächeninhomogenität
k = a f ϕvnWerkstoffmodell
Flä h l f A = A (l) e-ϕFlächenverlauf A = A0(l) e ϕ
F = a ϕv(l)n A0(l) e- (l)ϕv
Kraftgleichgewicht an der ProbedF = 0 =dl
A0
A+ ( -1) ϕv
nϕdl A0ϕv
Differentialgleichung ist separierbar und integrierbar,Integrationskonstante:Integrationskonstante:Randbedingung: größter Umformgrad tritt am Ort kleinster Anfangswanddicke A auf.
ϕv,max
o,min
ϕvn
e-ϕv =A0,min
A (l)0ϕv,max
ne-ϕv,max
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Flächeninhomogenität
ϕvn
e-ϕv =A0,min
A (l)0ϕv,max
ne-ϕv,max
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R. S. 19Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Flächeninhomogenität
ϕmax = nKraftmaximum:
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Flächeninhomogenität
Zugprobe
S h itt tWanddickenmessung
Schrittmotor
Linearführungen
Messzange
Wegtaster (induktiv)
Messverstärker
1,385
1,390
m]
mm
]
1,375
1,380
wal
lthic
knes
s [m
m
15 µm
chdi
cke
[m
Abweichung ≈ 1,1%
1,365
1,370
0 10 20 30 40 50initial gauge length [mm]
wB
lec
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R. S. 21Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Wanddickenverteilung derAnfangsmesslänge führt zuD h t il b i
g g
Dehnungsverteilung beiZugkraftmaximum
Anfangsposition x [mm]
Die gemessene Dehnung beim Kraftmaximum ist zu gering =>Kraftmaximum ist zu gering => Der Verfestigungskoeffizient ist zu korrigieren,Korrektur kann iterativ erfolgen
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g
Flächeninhomogenität
Probe0,0
0,5“ideale” Geometrie
A ProbeGeometrie A
-1,0
-0,5
ΗA0
[%]
Δ
A
B
C
D
l 30 3
-2,0
-1,5
0 5 10 15 20 25[ ]
halbe Anfangsmesslänge
D
l =30,3 mmFmax
ProbeG t i D
x [mm] Probenmitte
0,2
0,22“Ideale” Geometrie
0,202ϕm
Geometrie D
0,16
0,18
Η[-]
ϕ
ABCD
0,1830,1740,1670,162
l =29,5 mmFmax
0,12
0,14
0 5 10 15 20 25Anfangslänge x [mm]
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Anfangslänge x [mm]Probenmitte
Flächeninhomogenität
W lität h “ V f ti tWege zum „realitätsnahen“ Verfestigungsexponenten:
• „fehlerfreie“ Probengeometrie
• Abbruch beim Kraftmaximum und vermessen der maximalen Dehnung
• Plastomechanische Korrektur:
Trimmen des Verfestigungsexponenten n der Plastomechanik derart, dass die gemessene Dehnung der berechneten mittleren Dehnung ϕDehnung der berechneten mittleren Dehnung ϕmentspricht
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Flächeninhomogenität
0 21
Beispiel Geometrie B
0 19
0,2
0,21
F hl 15%n + = 0,197 = n0 1Δ
“Wahrer” n = 0,202Fehler 3%
0,17
0,18
0,19
Gemessenes n = 0,1720
Fehler 15%
-]
0,15
0,16
,
Berechnetes = 0,147ϕ 0
Δ = 0,025ϕ [-
0,13
0,14Berechnetes 0,147ϕm0
Calculated (l)ϕ
0,120 5 10 15 20 25
initial Position x [mm]Anfangsposition x
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[ ]g p
Flächeninhomogenität
Kontrolle Iteration 10 21
0,2
0,21
n = 0,1971
“Wahrer” n = 0,202 n = n + = 0,19832 1 Δ
0,18
0,191
[-]
0 16
0,17Gemessenes n = 0,1720
Berechnetes = 0,1707ϕm1
ϕ [
Δ = 0,0013
0,15
0,16
Calculated (l)ϕ
0,140 5 10 15 20 25
initial Position x [mm]Anfangsposition x
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Temperaturinhomogenität
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Temperaturinhomogenität
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Grenzformänderungsschaubild
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Experimentelle Ermittlung
Nakazimatest
Proben-geometriengeometrien
Messraster-aufbringungaufbringung
optischeDehnungs-messung
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Beispiele Dehnungsanalyse
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Zusammenfassung
Werkstoffkennwerte bilden eine Basis für FE-Simulationen.
Die Fliesskurvenermittlung erfolgt meist mit einachsigenZugversuchen an Flachproben.g p
Potenzansätze können zur Modellierung und Extrapolationmit einfachen Kalkulationsgleichungen genutzt werden.
Probeninhomogenitäten verursachen eine DehnungsProbeninhomogenitäten verursachen eine Dehnungs-verteilung beim Zugversuch, die bei bekanntem Flächen-verlauf korrigiert werden könneng
Weitere Inhomogenitäten entstehen durch dissipierte Energie
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Elemente des tribologischen Systems
BelastungBelastung
Blech
Gegenkörper
ZwischenstoffSchmierstoff
Grundkörper Werkzeug
Umgebungsmedium
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Tribologische Grundlagen
Reibung:
g g
Widerstand zwischen zwei aufeinander abgleitenden Oberflächen
Reibkraft FR:Reibkraft FR:
Aufzubringende Kraft, um die Gleitbewegung zwischen zweier aufeinander abgleitenden Flächen aufrechtzuerhalteng
Coulomb´sches ReibgesetzNF
NR FF ⋅= μRF
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Tribologische Grundlagen
R ib tä d
g g
Reibzustände
Blechumformung
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Tribologische Einflussgrößeng g
B l e c h m
v e r f
a h r e nmechanisch
geometrisalspannung
ßerungdigkeit m a t e r i a lU m
f o r
m v che Kenngröße
rische Kenngröß
Werkstoff
OberflächenfeingeKont
aktn
ormals
Tem
peratur
rfläc
henv
ergrößerung
Gle
itges
ch
windig
mecge
lUenßen
est alt
K TO
berfG
W e r k
echanische Kenng ö
Werkstoff
eometrische Ke r s
t o
f f
Visko
sität
Scherfe
stigk
eit
rbestä
ndig
keit
kbeständ
igkei
tk z e u g
ngrößenKenngrößen
S c h m i e rS
TemperaturbDruckb
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R. S. 38Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Tribologische EinflussgrößenEinflussgrößen der SchmierungSchmierstoffviskosität /Scherfestigkeit
g g
Schmierstoffviskosität /ScherfestigkeitAdditivierungSchmierstoffmengeD k d T t b tä di k it
Schmierstoffe für die Blechumformung
Druck- und Temperaturbeständigkeit
Schmierstoffe für die Blechumformung
verdunstende Öle ca. 2 mm²/s bei 20 °C G db öl Ti f i hbl h bi 60 ²/ b i 40 °C
(kinematische Viskosität)
Grundbeölung von Tiefziehblechen bis 60 mm²/s bei 40 °C Hochviskose Ziehöle bis 500 mm²/s bei 40 °C Tiefziehpasten bzw. -fetteTiefziehpasten bzw. fette Umformfolien Zieh- und Gleitlacke
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Größe / Verteilung der KontaktnormalspannungGleitgeschwindigkeit / GleitwegBeanspruchungsdauerBeanspruchungsdauerOberflächentemperatur
Die technologischen Verhältnisse bei der Blechumformung
sind gekennzeichnet durch:
geringe Relativgeschwindigkeiten
niedrige Flächenpressungen g p g
große Kontaktflächen zwischen Werkzeug und Werkstück
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Ziele - ProzessbeeinflussungVerfahrensgrenzen: Die Verfahrensgrenze beim Tiefziehen wird durch den maximal erreichbaren Umformgrad eines in einem einstufigen Prozess tiefgezogenen Werkstücks definiert Die Verfahrensgrenzen des Tiefziehens mit Niederhalter werden zum einen durch
g
definiert. Die Verfahrensgrenzen des Tiefziehens mit Niederhalter werden zum einen durch beginnende Faltenbildung im Flanschbereich bei großen Ziehverhältnissen und zum anderen durch Bodenreißer gebildet.
Tribologischer Einfluss:
aft F
N
Reißer dSt
d0
FFVerfahrensgrenzen hängen von der Höhe der zwischen Werkzeug und Blech auftretenden Reibkräfte ab. Arbeitsbereich
halte
rkra Reißer St FNFN
Zur Erweiterung wirkt sich ein geringer Reibwert im Blechhalterbereich positiv aus N
iede
rhFalten β
Ziehverhältnis =d /dβ o Sto
βo,max
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Ziele - ProzessbeeinflussungBeispiel: Tribologischer Einfluss auf die Verfahrensgrenzen
g
80
100Test: NapfziehtestStempel-Durchmesser: 300 mmBlech: St 14 Galvanizedm
]
RotationssymmetrischerNapf:
0 mm 60
80 Werkzeug: GGG 60Schmierstoffmenge: 3 g/m²
tiefe
[mm
300 m
40
s s /s /ssmal
e Zi
eht
20
=53
mm
²/s
=83
mm
²/s
=120
mm
²/
=420
mm
²/
=36
mm
²/s
max
im
0Lub A Lub B Lub C Lub D Lub E
ν ν ν ν=ν
Schmierstoff
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R. S. 42Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Schmierstoff
LaborprüfmethodenVarianten des Streifenziehversuchs
p
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LaborprüfmethodenEtablierte Reibprüfanlage (spezifiziert nach VDA-Richtlinien 230/201 und 230/202)
p
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R. S. 44Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
LaborprüfmethodenReibzahldiagramm und Kriterien
p
0,08
0,1
,mNσμ
0,06
0,08
ahl µ
[-] 1. mittlere
Reibungszahl
2 i l
0,04 μΔ Vibun
gsza 2. maximal
erreichbareKontaktnor-malspannung
0,0225 mm/s
100 mm/s400 mm/s
Rei malspannung
3. Änderung derReibungszahl
00 2 4 6 8 10 12
Kontaktnormalspannung [N/mm²]
400 mm/s Reibungszahl
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R. S. 45Industrieverband Blechumformung e. V. (IBU) 2. Dezember 2008
Kontaktnormalspannung [N/mm²]
LaborprüfmethodenUntersuchungsbeispiel: Vergleich des Reibverhaltens von Schmierstoffen