Ermittlung optimaler Zieh- und Stempelkantenradien von Ziehwerkzeugen

Ziel des Forschungsvorhabens war die Ermittlung der optimalen Ziehkantenradien und der optimalen Stempelkantenradien. Dabei sollte untersucht werden, welchen Einfluß der Werkzeugwerkstoff und der Blechwerkstoff haben. Die Ergebnisse sollen die Werkzeughersteller und Konstrukteure bei der Wahl der Ziehkantenradien und der Stempelkantenradien unterstützen.

Als Kriterium für die Optimierung des Ziehkantenradius wird die Summe der am Ziehkantenradius wirkenden Reibungskräfte und Biegekräfte herangezogen. Die Optimierung des Stempelkantenradius erfolgt bezüglich der erreichbaren Bodendehnungen bezogen auf die Zargendehnung.

Im ersten Schritt der Untersuchungen konnte anhand von Versuchen an der modifizierten Duncan-Shabel-Test Anlage des Instituts für Umformtechnik gezeigt werden:

Der Ziehkantenradius hat einen wesentlichen Einfluß auf die auftretenden Reibungskräfte und Biegekräfte am Ziehkantenradius selbst. Mit zunehmendem Ziehkantenradius nimmt die Summe von Reib- und Biegekräften asymptotisch ab.

Da die Summe aus Reib- und Biegekraft an der Ziehkante in die Stempelkraft eingeht, verringert sich diese mit steigendem Ziehkantenradius. Die Verringerung der Stempelkraft hat zur Folge, daß eine geringere Kraft über die Ziehteilzarge übertragen werden muß, wodurch in der Zarge eine geringere plastische Dehnung des Blechs hervorgerufen wird.

Die Verläufe der Reibungskräfte und Biegekräfte am Ziehkantenradius sowie die Längenformänderungen in der Zarge und im Boden wurden für unterschiedliche Werkzeugwerkstoffe, Blechwerkstoffe und Blechbeschichtungen bei verschiedenen Ziehkantenradien ermittelt. Hieraus wurde für gerade Ziehkanten optimale Ziehkantenradien abgeleitet.

Die Variation des Stempelkantenradius beim modifizierten Duncan-Shabel-Test hat ergeben, daß das Verhältnis von Bodendehnung zu Zargendehnung mit zunehmendem Stempelkantenradius größer wird. Die sich ergebende Exponentialfunktion steigt mit zunehmendem Stempelkantenradius zwar nur sehr gering an, strebt aber keinem Grenzwert, zu. Bei Definition einer Mindestformänderung im Boden ergibt sich je nach Tribosystem und Blechwerkstoff ein Mindeststempelkantenradius rStmin. Nach oben kann der Stempelkantenradius durch die 20fache Blechdicke begrenzt werden.

Im zweiten Schritt der Untersuchungen wurde anhand von Versuchen an einem rechteckigen Ziehteil gezeigt, daß bei Verwendung von rechteckigen Platinen mit steigendem Ziehkantenradius die Bruchkraft zwar abnimmt, die dabei erreichte Ziehtiefe bei gleichbleibender Platine jedoch zunimmt. Eine Vergrößerung des Ziehkantenradius über 15 mm hinaus hat bei sonst unveränderten Prozeßparametern keine Vergrößerung der erreichbaren Ziehverhältnisse ergeben.

Im dritten Schritt der Untersuchungen wurde ein Karosseriewerkzeug verwendet.
Dabei wurde der Ziehkantenradius des Werkzeuges in fünf Schritten vergrößert. Mit steigendem Ziehkantenradius vergrößert sich zunächst der Arbeitsbereich und wird dann jedoch wieder kleiner. Als Kriterium zur Definition des optimalen Ziehkantenradius kann der zulässige Schwankungsbereich der Niederhalterkraft herangezogen werden. Ein Vergleich des sich aus dem maximalen Schwankungsbereich der Niederhalterkraft ergebenden optimalen Ziehkantenradius mit dem im modifizierten Duncan-Shabel-Test ermittelten optimalen Ziehkantenradius zeigt, daß eine Übertragung der im modifizierten Duncan-Shabel-Test ermittelten optimalen Ziehkantenradien auf gerade Ziehkanten im Produktionswerkzeug empfehlenswert ist.

Somit kann festgestellt werden, daß die im modifizierten Duncan-Shabel-Test gewonnenen Erkenntnisse bei Verwendung rechteckiger Platinen auf Praxis Ziehteile übertragen werden können.