Systematische Untersuchungen zur Verbesserung der Rückfederungsberechnung bei der Methodenüberprüfung mittels numerischer Simulation

Die exakte Vorausbestimmung von Rückfederungseffekten an Blechformteilen mittels numerischer Simulationsmethoden hat bisher nur zu Teilerfolgen geführt und ist eine hochaktuelle Problematik bei der Werkzeugauslegung und –anpassung für Blechumformprozesse.

Für eine weitere Erhöhung der Qualität, Stabilität und Vergleichbarkeit von FE-Rechnungen zur Rückfederung wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens systematische Untersuchungen zur Vorgehensweise bei der Modellbildung und zur Wahl simulationsinterner Parameter durchgeführt, wobei als Bauteil ein gebogenes Hutprofil mit gekrümmter Längsachse verwendet wurde. Hierfür wurde ein modulares Biege-Werkzeug entwickelt, konstruiert und gebaut, mit dem dann entsprechende Musterteile gefertigt wurden.

Die vergleichenden Untersuchungen zwischen Rechnung und Experiment erfolgten für die Werkstoffe DP600, H320LA und AlMg4,5Mn0,4 sowie für variierende Werkzeug- und Verfahrensparameter beim Hutprofil-Biegen. Es wurden die Varianten Biegen mit Niederhalter und Gegenhalter sowie ohne Gegenhalter betrachtet. Weiterhin wurden bei den Untersuchungen der Matrizenradius sowie die Niederhalter- und Gegenhalterkraft verändert.

Die FE-Rechnungen wurden mit der verfügbaren Simulations-Software PAM-STAMP (Version 2001) durchgeführt. Das entwickelte Versuchsprogramm für die Berechnungs-abläufe beinhaltete die Einflussgrößen Elementtyp (Belytschko-Tsay, Belytschko-Wong-Chiang), Integrationsordnung (5 und 9 Integrationspunkte über die Blechdicke), Werkzeug-Geschwindigkeit (2 m/s, 5 m/s und 10 m/s), Dämpfung (Dämpfungsfaktoren d = 0,05 / 0,1 / 0,5), Netzfeinheit (unterschiedliche Elementgröße und Anzahl der Verfeinerungsstufen) und Lagerungsbedingungen.

In den betrachteten Variationsbereichen war vor allem bezüglich der Erhöhung der Netzfeinheit ein signifikanter Einfluss auf das Rückfederungsergebnis aus der Simulation zu verzeichnen.

Weitere Einzel-Untersuchungen erfolgten hinsichtlich des Vergleiches von Restart- und Rezone-Rechnung, zur Elementanzahl über einen Radius und zum Abklingverhalten der kinetischen Energie während der Rückfederung. Beispielhaft wurden die Simulations-ergebnisse zur Rückfederung auch mit einer AutoForm-Rechnung und einer FE-Simulation mit der neuen PAM-STAMP-Version „2G“ vergleichend gegenübergestellt.

Auf der Grundlage der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen konnten somit Empfehlungen zur Vorgehensweise und der Parameterwahl bei der FE-Simulation des Umform- und Rückfederungsprozesses mit PAM-STAMP abgeleitet und vorgeschlagen werden. Für die Simulation des Rückfederungsvorganges wird eine explizite Restart-Rechnung favorisiert, wobei aber auch eine explizite Rezone-Rechnung als alternative Variante einsetzbar ist (jeweils bezogen auf PAM-STAMP, Version 2001).

Für die zukünftige Rückfederungs-Simulation in der Blechumformung wird mit Sicherheit die neue PAM-STAMP-Version „2G“ immer mehr Bedeutung erlangen. Bei ihrer Anwendung wird empfohlen, eine implizite Rezone-Rechnung durchzuführen, die einen erheblichen Rechenzeitgewinn ermöglicht.

Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden, dass mit der angewandten Vorgehensweise rückfederungsbedingte geometrische Abweichungen qualitativ richtig berechnet werden können (Richtung/Tendenz der Rückfederung). Hingegen bestehen quantitativ nach wie vor noch merkliche Unterschiede zwischen Simulation und Experiment. Es ist davon auszugehen, dass wesentliche Ursachen hierfür in einer noch nicht ausreichenden Kenntnis und Beschreibung des Materialverhaltens sowie Abbildegenauigkeit der realen Prozesse (Werkzeugkontur, Verfahrensbedingungen, Maschineneinflüsse) zu suchen sind, die Gegenstand künftiger Forschungsprojekte sein sollten beziehungsweise bereits sind.