Lehrst hl für Fertig ngstechnik ndLehrstuhl für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen · 2016. 9. 10. · Ziehwulst: Am Übergang zum Matrizeneinlauf Ziehstab: Unterhalb Niederhalterfläche

Lehrst hl für Fertig ngstechnik ndLehrst hl für Fertig ngstechnik ndLehrstuhl für Fertigungstechnik und Lehrstuhl für Fertigungstechnik und WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinenggFolien unter www.mb.uni-siegen.de/fw

IBU Vortragsreihe

Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Bernd EngelIng. Bernd Engel

Grundlage des Tief- und Karosserieziehens1

Tiefziehen

Philosophie des Lehrstuhles

i h F h d P i t ff… wo sich Forschung und Praxis treffen

EndenbearbeitungModellbildung - Analytik Anstellkraft:

Gleitschiene = stationärFaltenglätter = 100kNGeschwindigkeit 0,05mm/s

TiefziehenSimulation

Anstellkraft:Gleitschiene = 75kNFaltenglätter = stationär

Geschwindigkeit 0,05mm/s

Innenhochdruck -Versuch

P AnalyseIdee

IBU Vortragsreihe

UmformenBiegen

Konzept –Werkzeug/Maschine

PamStamp 2G PamTube2GPam-Tube

Analyse

Umsetzung - Realisierung


TiefziehenWerkzeug/Maschine

Grundlagen des Tief- und KarosserieziehensGrundlagen des Tief- und Karosserieziehens

IBU Vortragsreihe02 Dezember 200802. Dezember 2008

Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen

Inhalt

Einordnung der Ziehverfahren

Umformmechanismen

Spannungen, Dehnungen, Kräfte

Verfahrensgrenzen

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen


Einordnung der Umformverfahren

Schub-UmformenDIN8587

Biege-UmformenDIN8586

Zug-UmformenDIN 8585

Zug-Druck-UmformenDIN 8584

Druck-UmformenDIN 8583

Umform-verfahren

werden nach d i kVerschieben

VerdrehenFreies BiegenGesenkbiegenGleitziehbiegenR llbi

LängenWeiten Tiefen

Walzen

SchmiedenF if

DurchziehenTiefziehenDrückenK i h

den wirksamen Spannungen

eingeteilt

RollbiegenKnickbiegenWalzbiegenSchwenkbiegen

• Freiform• Gesenkform

Durchdrücken

KragenziehenKnickbauchen

SchwenkbiegenRundbiegenUmlaufbiegen

Durchdrücken•Fließpressen•Strangpressen

IBU VortragsreiheKarosserieziehen = Tiefziehen + Streckziehen + Biegen


TiefziehenKarosserieziehen Tiefziehen Streckziehen Biegen


Tiefziehen

Tiefziehen ist ein Zug- Druck-

Umform-f h

Tiefziehen ist das Zug-Druck-Umformen eines Blech-zuschnitts zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte verfahreneinem 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)

IBU Vortragsreihe

starre Werkzeugenachgiebige Werkzeuge

mit Flüssigkeiten (aktiv/passiv)mit Gasenmit formlosen festen

z.B. Magnetfeld


TiefziehenStoffen

Umformmechanismen

Tiefziehen im Erstzug

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

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen

Umformmechanismen

Tiefziehen im Erstzug

Ziehkraftübertragung über Zarge. Spannung in Zargenrichtung:p g g gσz.

σz darf Reißfestigkeit nicht

FF

züberschreiten !

0sdF

AF

m

zzz ⋅⋅

==π

σ

IBU Vortragsreihe

01 sddm +=


Tiefziehen

Umformmechanismen

d0

Werkstoffverdrängung beim Tiefziehen

d0

b

b‘

d1h

aa

1

h

nach der Umformungvor der Umformung nach der Umformung

∅d0

g

s0

IBU Vortragsreihe

h∅d1

∅d0 d1

a = zu biegender Werkstoff


Tiefziehena = zu biegender Werkstoffb = zu verdrängender Werkstoff


Größen beim Ziehen rotationssymmetrischer Näpfe

Tiefziehen im Erstzug und

SchematischeSchematische Darstellung

des Spannungs-

verlaufs in derverlaufs in der Umformzone

(Flansch-bereich)

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen


Beanspruchungsverhältnisse am Blech

d0

σR

d1

IBU Vortragsreihe1

0

dd

urchmesserNapfinnendhmesserRondendurcβ

:tnisZiehverhäl

==


Tiefziehen1p


Auslegung Tiefziehprozess

öß

Platine Fertigteil

O f äPlatinengröße Oberfläched0

Stempelgröße KonturzugdStp g gSt

βZiehverhältnis

Grenz-zieh-

IBU Vortragsreihe

Ziehabstufung zieh-verhältnis


Tiefziehen



Auslegungsregeln

Auslegung der Ziehstufen erfolgen nach :g g gZiehrichtung und Umformoperationendem Grenzziehverhältnis

Überlegungen zum Grenzziehverhältnis

Begrenzung durch den Riss:

IBU Vortragsreihe0

maxmaxmax sd

FA

F

m

zzz ⋅⋅

==π

σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz max = Rm


Tiefziehenσz,max Rms0 - Ausgangswandstärke



Die Reißkraft wird überschritten wenn gilt:

0,

max,

arg,

max,max. sd

FA

F

Stm

z

eZquer

zz ⋅⋅

==π

σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms Ausgangswandstärke

Für die Reißfestigkeit gilt:

s0 - Ausgangswandstärke

mz R=max.σ

IBU Vortragsreihe

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

0sdd StStm += wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke


Tiefziehen0, StStm wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke



Kräfte beim

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

Kräfte beim Tiefziehen

BRRidges FFFFFNR+++=

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

Reibkraft FRN - Reibkraft zwischen Ziehring und NiederhalterReibkraft FRN Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter

Reibkraft FRR - Reibung an der Ziehringrundung

Biegekraft FB - Biegung um die Ziehringrundung

IBU Vortragsreihe

Biegekraft FB Biegung um die Ziehringrundung


Tiefziehen


Berechnung Ziehkraft

Damit ergibt sich aus der obigen Beziehung der minimal mögliche Stempel-

Minimaler Stempelradius - Ziehkraft

g g g g pdurchmesser zu:

F 1

m

zm Rs

Fd 1

0

max,min, ⋅

⋅=π

Ziehkraft

IBU Vortragsreihe

BRRidges FFFFFNR+++=

Ideelle Umformkraft FidReibkraft FRNReibkraft FRNBiegekraft FB


Tiefzieheng B


Berechnung ideelle Umformkraft

tσD

dr

rσrr dσσ +dm

Dm

dα

r

d

tσdα2

tσ

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

IBU Vortragsreihe

0)2

dsin(drs2sdrsd)drr()d( 0t0r0rr =α

⋅⋅⋅σ⋅+⋅α⋅⋅σ−⋅α⋅+⋅σ+σ


Tiefziehen



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

)2

sin()2

( αα dd=

tσ dr

)( trrdrd σσσ +−= rσ

rr dσσ +

dm

Dm

dα

r

Unter Anwendung der Fließregel nach Tresca Mohr

trr rtσ

dα2

tσ

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

)undmit(k t3r1ftr σ−=σσ=σ=σ+σ

IBU Vortragsreihe

ftr k1,1=+ σσ


Tiefziehen



Nach Einsetzen der Fließbedingung und Aufintegrieren

⎟⎞

⎜⎛ Rk ln11σ

Dabei ist für k die gemittelte Fließspannungdm

Dm

dα

⎟⎠

⎜⎝

=r

k fmIrr ln1,1)(σ1

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

)kk(1k )kk(2

k 2f1ffmI +=

Die ideelle Umformkraft bestimmt sich dann zu:

Ziehringradius

dm

IBU Vortragsreihe

010 ln1,1 sddmitrRksdF mfmImid +=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= π

d1 s0 rR


Tiefziehen


Berechnung Reibkräfte

Ziehkraft- Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter

Aufgrund des Niederhalterdruckes ergibt sich eine Reibkraft:g g

tσ)(2 rRpdF NmRN −⋅⋅⋅⋅⋅= μπ

rσ rr dσσ +dm

Dm

dα

1

2Reibkraft am Ziehringtσ

2g

μα⋅+= e)FF(F RNid2rR

Fid + FRN

IBU Vortragsreihe

R

F2


Tiefziehen


Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen

Berechnung Biegekraft

Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamte

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

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

s0

bdzzzMs

b ⋅⋅⋅⋅= ∫20

)(2 σkf

z

bdzzkMkzmit fbf ⋅⋅⋅=→= ∫2

0

2)(σ

s0

kf

z

IBU Vortragsreihe

Die Breite b wird ersetzt durch:

db π=

s0


Tiefziehenmdb π=


Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des

Berechnung Biegekraft

Fid + FRN1

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

bMF =

Damit ergibt die Biegekraft aus Hin- und Rückbiegung::

rR

F

3R

b rF =

Rückbiegung::

mfmIIb

sdkF

⋅⋅⋅=

2

20π

F2

rr dσσ +

tσ

d

Dm

dα

1

Rb r⋅2

Dabei ist für kfmII die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen 1 und 3

IBU Vortragsreihe

rσ rr

tσ

dm

2

zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen. 1 und 3 sind rR voneinander entfernt

)(21

31 fffmI kkk +=


Tiefziehen)(

2 31 fffmI


Ziehkraft nach Siebel

:mit

0,25ddln

ηk1,1sdπF

1

0

F

fm0mmaxZ ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅⋅⋅=

R1,3k0,7η0,5

sdd:mit

mfm

F

01m

⋅≈<<+=

IBU Vortragsreihe

stigkeitAusgangsfeRungFließspannmittlerek

,

m

fm

mfm

==


Tiefziehen


Niederhalterkraft nach Siebel

d0 5 ⎤⎡( )

( )[ ]22ddπA

ApF

Rs100d0,51-β0,0030,002p

22

NNN

m0

13N

⋅=

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

+⋅= K

( )[ ]

Flä htB f hlAerdruckNiederhaltp

:mit

2r2μd-d4

A

N

2R21

20N

=

++=

IBU Vortragsreihe

FlächegteBeaufschlaAN =


Tiefziehen


Verfahrensgrenzen Versagensarten

Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen

Verfahrensgrenzen, Versagensarten

Reißer (Bodenreißer) Faltenbildung

Einflussgrößen durch:

ZiehwerkstoffSchmierstoff

IBU Vortragsreihe

WerkzeuggeometrieUmformparameter


Tiefziehen


B d Fl h

Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen

Boden Flansch

Zarge

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen


Grenzziehverhältnis

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 )

IBU Vortragsreihe

g p ( )ZiehspaltNiederhalterdruck


Tiefziehen


Ziehverhältnis

Das Ziehverhältnis ist definiert zu: es gilt:

DDPl ti

D

dD

dStempelDPlatine

=−−

=β

ges dD

dEndDAusgangsβ =

−−

=

E tb iD

ZugeinembeidD

1

=

β

βnges

ddEnd

βββββ ,....,321 ⋅⋅=

Weiterzugbeimdbzwd

Erstzugbeimd

i 11

11

−==

=

ββ

β

IBU Vortragsreihe

Weiterzugbeimd

bzwd i

i2

2 . == ββ


Tiefziehen


Ziehen im Weiterzug

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen

Karosserieziehen

Ziehen unregelmäßiger Teile

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

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

Tiefziehen

Formeln abgebildet werden.

Berechnungen nur über Si l i ö li h !

Biegen

IBU Vortragsreihe

Simulationsprogramme möglich !g

Streckziehen


Tiefziehen

Karosserieziehen


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

Möglichkeiten über Ziehwülste und Ziehleisten. V id F lt V i d d Rü kf d- Vermeidung von Falten, Vermindern der Rückfederung

IBU Vortragsreihe

Ziehwulst:Am Übergang zum Matrizeneinlauf

Ziehstab:Unterhalb Niederhalterfläche zurück-


Tiefzieheng g

gesetzt von Matrizeneinlauf

Karosserieziehen


IBU VortragsreiheAnordnungen von Ziehwulsten


Tiefziehen

Streckziehen

Streckziehen

Tiefen

IBU Vortragsreihe


Tiefziehen

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

IBU Vortragsreihe

Klemmung kann das Blech nicht nachfließen. Die Umformung erfolgt durch reine Zugbeanspruchungunter Abnahme der Blechdicke.


Tiefziehen

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