Grundlagen des Tief- und Karosserieziehens · PDF fileNiederhalterkraft nach Siebel Spannungen, Dehnungen, Kräfte. 12 Grundlage des Tief- und Karosserieziehens 23 DGM Seminar Tiefziehen

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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens1

DGM SeminarTiefziehen

DGM Fortbildungsseminar15./16. November 2006

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

Grundlagen des Tief- und Karosserieziehens



Inhalt

Einordnung der Ziehverfahren

Umformmechanismen

Spannungen, Dehnungen, Kräfte

Verfahrensgrenzen

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Verschieben Verdrehen

Freies BiegenGesenkbiegenGleitziehbiegenRollbiegenKnickbiegenWalzbiegenSchwenkbiegenRundbiegenUmlaufbiegen

LängenWeiten Tiefen

Walzen

Schmieden• Freiform• Gesenkform

Durchdrücken•Fließpressen•Strangpressen

Schub-UmformenDIN8587

Biege-UmformenDIN8586

Zug-UmformenDIN 8585

Zug-Druck-UmformenDIN 8584

Druck-UmformenDIN 8583

Einordnung der Umformverfahren

DurchziehenTiefziehenDrückenKragenziehenKnickbauchen

Karosserieziehen = Tiefziehen + Streckziehen + Biegen

Umform-verfahren

werden nach den wirksamen Spannungen

eingeteilt



Tiefziehen

Tiefziehen ist ein Zug- Druck-

Umform-verfahren

Tiefziehen ist das Zug-Druck-Umformen eines Blech-zuschnitts zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke.

Tiefziehen(deep drawing)

Tiefziehen mitWerkzeugen

(deep drawing with dies)

Tiefziehen mit Wirkmedien(deep drawing

with working media)

Tiefziehen mit Wirkenergie(deep drawing

with activated energy)

starre Werkzeugenachgiebige Werkzeuge

mit Flüssigkeiten (aktiv/passiv)mit Gasenmit formlosen festenStoffen

z.B. Magnetfeld


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Beim Tiefziehen im Erstzug entsteht aus dem Zuschnitt (Blechplatine) das Ziehteil in einem einzigen Arbeitshub der Presse!

Tiefziehen im Erstzug

Umformmechanismen



01

0

sdd

sdF

AF

m

m

zzz

+=

⋅⋅==

πσ

Umformmechanismen

Tiefziehen im Erstzug

Ziehkraftübertragung über Zarge. Spannung in Zargenrichtung:σz.

σz darf Reißfestigkeit nicht überschreiten !

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d0

d1

h

h∅d1

nach der Umformung

∅d0

vor der Umformung

s0

d1

ha

b

b‘

a

a = zu biegender Werkstoffb = zu verdrängender Werkstoff

Werkstoffverdrängung beim Tiefziehen

Umformmechanismen



Tiefziehen im Erstzug und

Schematische Darstellung

des Spannungs-

verlaufs in der Umformzone

(Flansch-bereich)

Größen beim Ziehen rotationssymmetrischer Näpfe


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1

0

dd

urchmesserNapfinnendhmesserRondendurcβ

:tnisZiehverhäl

==

d0

Beanspruchungsverhältnisse am Blech

d1

σR




Platinengröße

Platine Fertigteil

Oberfläched0

Stempelgröße KonturzugdSt

βZiehverhältnis

Ziehabstufung

Grenz-zieh-

verhältnis


Auslegung Tiefziehprozess

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Auslegungsregeln

Auslegung der Ziehstufen erfolgen nach :Ziehrichtung und Umformoperationendem Grenzziehverhältnis

Überlegungen zum Grenzziehverhältnis

Begrenzung durch den Riss:

0

maxmaxmax sd

FA

F

m

zzz ⋅⋅

==π

σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms0 - Ausgangswandstärke





Die Reißkraft wird überschritten wenn gilt:

0,

max,

arg,

max,max. sd

FA

F

Stm

z

eZquer

zz ⋅⋅

==π

σ

Für die Reißfestigkeit gilt:

mz R=max.σ

Dabei ist Fz,max die maximale Ziehkraft, die über die Zarge übertragen werden kann.Für dm gilt:

0, sdd StStm += wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke

Fz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms0 - Ausgangswandstärke



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Kräfte beim Tiefziehen

Die Ziehkraft wird vom Ziehstempel durch Zugspannungen in der Zarge auf die eigentliche Umformzone im Flansch übertragen:

BRRidges FFFFFNR+++=

Ideelle Umformkraft – Umformkraft unter alleiniger Berücksichtigung des Werkstoffes und der Umformgeometrie

Reibkraft FRN - Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter

Reibkraft FRR - Reibung an der Ziehringrundung

Biegekraft FB - Biegung um die Ziehringrundung





Damit ergibt sich aus der obigen Beziehung der minimal mögliche Stempel-durchmesser zu:

m

zm Rs

Fd 1

0

max,min, ⋅

⋅=π

Minimaler Stempelradius - Ziehkraft

Ziehkraft

BRRidges FFFFFNR+++=

Ideelle Umformkraft FidReibkraft FRNReibkraft FRNBiegekraft FB


Berechnung Ziehkraft

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Ihre Bestimmung ergibt sich aus der Gleichgewichtsbetrachtung der Kräfte an einem Volumenelement im Flansch:

0)2

dsin(drs2sdrsd)drr()d( 0t0r0rr =α

⋅⋅⋅σ⋅+⋅α⋅⋅σ−⋅α⋅+⋅σ+σ

rσrr dσσ +

tσ

tσ

dm

Dm

dα

r

dr

dα2

tσ

Berechnung ideelle Umformkraft




Unter Anwendung der Fließregel nach Tresca Mohr

und der Berücksichtigung, dass diese Fließregel 10% geringere Werte liefert:

Setzt man für kleine Winkel und vernachlässigt Produkte von Differentialen, so vereinfacht sich diese DGL zu:

)2

sin()2

( αα dd=

)( trr rdrd σσσ +−=

)undmit(k t3r1ftr σ−=σσ=σ=σ+σ

ftr k1,1=+ σσ

rσ

rr dσσ +

tσ

tσ

dm

Dm

dα

r

dr

dα2

tσ



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Dabei ist für kfmI die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 2 einzusetzen.

Nach Einsetzen der Fließbedingung und Aufintegrieren

dm

Dm

dα

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

rRk fmIrr ln1,1)(σ

1

2

)kk(21k 2f1ffmI +=

Die ideelle Umformkraft bestimmt sich dann zu:

010 ln1,1 sddmitrRksdF mfmImid +=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= π

Ziehringradius

d1 s0

dm

rR





Ziehkraft- Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter

Aufgrund des Niederhalterdruckes ergibt sich eine Reibkraft:

rσ rr dσσ +

tσ

tσ

dm

Dm

dα

1

2

)(2 rRpdF NmRN −⋅⋅⋅⋅⋅= μπ

Reibkraft am Ziehring

μα⋅+= e)FF(F RNid2rR

Fid + FRN

F2

Berechnung Reibkräfte


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Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamteQuerschnitt unter Fleßspannung liegt:

s0

bdzzkMkzmit

bdzzzMs

fbf

b

⋅⋅⋅=→=

⋅⋅⋅⋅=

∫

∫2

0

0

2)(

)(2

σ

σkf

Die Breite b wird ersetzt durch:

mdb π=

z

s0

kf

z

Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen.Das Biegemoment lässt sich aus der Spannungsverteilung am Biegebogen bestimmen:

Berechnung Biegekraft




Damit ergibt die Biegekraft aus Hin- und Rückbiegung::

rσ rr dσσ +

tσ

tσ

dm

Dm

dα

1

2

R

mfmIIb r

sdkF

⋅

⋅⋅⋅=

2

20π

Dabei ist für kfmII die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen. 1 und 3 sind rR voneinander entfernt

)(21

31 fffmI kkk +=

3

rR

Fid + FRN

F2

1

3

Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des Blechdicke) am Radius rR aufgebaut::

R

bb r

MF =

Berechnung Biegekraft


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Ziehkraft nach Siebel


stigkeitAusgangsfeRungFließspannmittlerek

R1,3k0,7η0,5

sdd:mit

0,25ddln

ηk1,1sdπF

m

fm

mfm

F

01m

1

0

F

fm0mmaxZ

==

⋅≈<<

+=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅⋅⋅=



( )

( )[ ]

Fläche gteBeaufschlaAerdruckNiederhaltp

:mit

2r2μd-d4πA

ApF

Rs100d0,51-β0,0030,002p

N

N

2R21

20N

NNN

m0

13N

==

++=

⋅=

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

+⋅= K

Niederhalterkraft nach Siebel


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Verfahrensgrenzen, Versagensarten

Reißer (Bodenreißer) Faltenbildung

Einflussgrößen durch:

ZiehwerkstoffSchmierstoffWerkzeuggeometrieUmformparameter

Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen




Gutteilbereich Grenzziehverhältnis

Bodenreißer

Faltenbildung

Nie

derh

alte

rkra

ft

β0maxZiehverhältnis β0

Boden

Zarge

Flansch

Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen


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Das Grenzziehverhältnis stellt den Wert dar, bis zu dem die erforderliche Ziehkraft übertragen werden kann.

Bei Überschreiten des Grenzziehverältnisses tritt der Versagensfall Bodenreißer ein.

Das Grenzziehverhältnis ist abhängig von:

Gleichmaßdehnung und Anisotropiebezogenen Stempeldurchmesser ( auf Blechdicke )ZiehspaltNiederhalterdruck

Grenzziehverhältnis




Das Ziehverhältnis ist definiert zu: es gilt:

Weiterzugbeimd

dbzwdd

ErstzugbeimdD

ZugeinembeidD

dD

dStempelDPlatine

i

ii

1

2

12

11

1

. −==

=

=

=−−

=

ββ

β

β

β

Ziehverhältnis


nges

ges dD

dEndDAusgangs

βββββ

β

,....,321 ⋅⋅=

=−−

=

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Ziehen im Weiterzug



Unregelmäßiges Ziehteil:Unterschiedlichste Formen von Ziehteilen und Formen. Allen Teilen ist gemeinsam, dass beim Umformen eine Kombination aus Tiefziehen, Streckziehen und Biegen vorhanden ist .

Ziehen unregelmäßig geformter Ziehteile kann nicht mehr mit geschlossenen Formeln abgebildet werden.

Berechnungen nur über Simulationsprogramme möglich !

Karosserieziehen

Ziehen unregelmäßiger Teile

Tiefziehen

Biegen

Streckziehen

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Beeinflussung des Werkstoffflusses:Nur aus der Kenntnis der örtlichen Verhältnisse kann der Werkstofffluss gesteuert werden.

Möglichkeiten über Ziehwülste und Ziehleisten. - Vermeidung von Falten, Vermindern der Rückfederung

Ziehwulst:Am Übergang zum Matrizeneinlauf

Ziehstab:Unterhalb Niederhalterfläche zurück-gesetzt von Matrizeneinlauf

Karosserieziehen




Anordnungen von Ziehwulsten

Karosserieziehen


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Tiefen

Streckziehen

Streckziehen



Streckziehen ist das Tiefen eines Blechzuschnittes mit einem starren Stempel, wobei das Werkstück am Rand fest eingespannt ist. Aufgrund der Klemmung kann das Blech nicht nachfließen. Die Umformung erfolgt durch reine Zugbeanspruchungunter Abnahme der Blechdicke.

Streckziehen

Streckziehen

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