Vergleichende Untersuchungen zur numerischen Simulation des Tiefziehens nichtrotationssymmetrischer Teile

Im Rahmen des Vorhabens sollte untersucht werden, ob die bei der rotationssymmetrischen Teileklasse festgestellten sehr guten Ergebnisse der Simulation auf der Basis der Deformationstheorie auch auf nichtrotationssymmetrische Teile übertragbar sind.

Im verwendeten Simulationsprogramm wird eine gegebene Geometrie (Blechteil) in einem Schritt vom Ausgangzustand (Platine) auf den Endzustand abgebildet. Gesucht wird das Minimum der dafür erforderlichen Formänderungsarbeit auf der Grundlage finiter Spannungs-Dehnungsbeziehungen in mehreren Iterationsschritten. Voraussetzung ist die Gültigkeit dieser Beziehungen und der Deformationstheorie für große plastische Dehnungen. Die Problemstellung bestand darin, wie genau die Verformungen am Bauteil unter diesen Voraussetzungen bestimmt werden können.

Für das Versuchsprogramm wurde ein Modellwerkzeug mit leicht wechselbaren Aktivteilen für verschiedene Geometrieformen zur Untersuchung typischer Versagensfälle im Bereich wannen- und muldenförmiger Teile konzipiert. Es erfolgte eine Auswahl derzeit interessanter Werkstoffe für den Karosserie- und Behälterbau sowohl mit deutlich unterschiedlichem als auch mit ähnlichem Verfestigungsverhalten. Für alle Werkstoffe wurden die Fließkurven, Grenzformänderungskurven und relevante Werkstoffparameter wie r- und n-Wert ermittelt und durch mathematische Approximation als Werkstoffdatei für das Programm bereitgestellt.

In mehreren Versuchsreihen wurden Einflüsse der Geometrieformen, der Werkstoffeigenschaften und der Randbedingungen auf das Ziehergebnis bestimmt, Kraft- und Deformationsverläufe ermittelt und berechnete Zuschnittkonturen in verschiedenen Ziehtiefen an unterschiedlichen Geometrieformen überprüft. Experimentell konnten deutliche Einflüsse der Geometrieformen und des Verfestigungsverhaltens der Werkstoffe auf das Ziehergebnis und das Auftreten von Versagensfällen nachgewiesen werden. Die Einflüsse der Randbedingungen Reibung und Niederhalterdruck waren demgegenüber eher gering und nur in der Nähe von Versagensfällen deutlich nachweisbar.

Bei der Berechnung der Modellversuche in einem Schritt wurden deutliche Abweichungen zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen festgestellt. Insbesondere die Streckziehanteile im Bodenbereich der untersuchten Wannen wurden .überhöht berechnet, während die Tiefziehanteile an der Ziehkante zu niedrig bestimmt wurden. Damit konnte auch die Grenze zu den auftretenden Versagensfällen anhand der Grenzformänderungskurve nicht exakt bestimmt werden. Auch die Werkstoffunterschiede fielen in der Rechnung geringer aus als sie experimentell nachgewiesen werden konnten.

Die vorausberechneten Zuschnittgeometrien stimmten in geringen Ziehtiefen noch recht gut mit den experimentellen Ergebnissen überein, während bei größeren Ziehtiefen besonders an den kurzen Seiten stärkere Abweichungen auftraten, da hier die Abweichungen von den Voraussetzungen der Theorie zu groß werden. Die bestmögliche Einhaltung der Voraussetzungen wird bei flachen Streckziehteilen mit großem Flansch (Ziehanlageflächen) und flachen Zargen (eindeutige Geometrieabbildung) ohne Überschreitung des Kraftmaximums erreicht. Größere Abweichungen sind zu erwarten bei sehr tiefen Teilen mit kleinem Flansch nach Überschreiten des Kraftmaximums (z. B. Ölwannen) aufgrund der Prozeß- und Reibungseinflüsse sowie Entlastungserscheinungen im Boden- und Flanschbereich.

Bei den untersuchten Praxisteilen waren kritische Bereiche sowohl hinsichtlich Faltenbildung als auch Reißern schnell erkennbar, ohne jedoch auch hier die Größe der Deformationen und deren Abstand zur Grenzkurve exakt bestimmen zu können. Ein Überblick über Gefahrenbereiche eines Bauteils ist damit jedoch sehr schnell und sehr früh möglich, wodurch eine Optimierung der Bauteilgeometrie bereits in der Konstruktionsphase durch die Vermeidung solcher Bereiche ermöglicht wird. Dadurch ist ein geringerer Try-out-Aufwand bei der Werkzeugerprobung und eine spätere höhere Prozeßsicherheit erreichbar.

Zur weiteren Annäherung an die Praxisbedingungen wird derzeit eine neue Programmversion erarbeitet, die eine schrittweise Berechnung des Umformprozesses gestattet und damit den Prozeßcharakter des Tiefziehens besser nachbilden kann. Damit konnten bereits wesentlich bessere Ergebnisse sowohl hinsichtlich der errechneten Deformationen als auch der Werkstoffunterschiede erreicht werden. Auch die Einschätzung von Versagensfällen im Grenzformänderungsschaubild ist dadurch erheblich sicherer geworden. Bei idealisierten Versuchen unter größtmöglicher Annäherung an die Voraussetzungen der Theorie durch Verringerung der Biege- und Reibkraftanteile konnte sogar eine fast identische Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Ergebnissen erreicht werden, so daß die Weiterentwicklung dieser Programmversion für die Berechnung komplizierter Realbauteile unter Berücksichtigung von Reibung und Biegung sehr erfolgversprechend ist.