Zwick Roell Materialprüfung von hochfesten Stahlwerkstoffen

Autor / Redakteur: Peter Stipp / M.A. Frauke Finus

Der steigende Bedarf nach Materialien mit erhöhter Zugfestigkeit und Dehnung stellt auch die Qualitätssicherung in der Blechumformung vor neue Herausforderungen, beispielsweise beim Tiefziehen. So sind zur Bestimmung der Grenzformänderungskurve (FLC) nach ISO 12004 Prüfmaschinen mit ausreichenden Haltekräften notwendig.

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Probe zur Bestimmung der Grenzformänderungskurve FLC (Nakajima).
Probe zur Bestimmung der Grenzformänderungskurve FLC (Nakajima).
(Bild: Zwick)

In der Blechumformung ist das Tiefziehen eines der am weitest verbreiteten Verfahren – und steht aufgrund von Materialien mit erhöhter Zugfestigkeit und Dehnung vor neuen Herausforderungen. Denn aufgrund dieser Eigenschaften hoch- und höchstfester Stahlwerkstoffe steigen auch die Erwartungen an die Materialcharakterisierung durch Prüfmaschinen. So hat die Entwicklung dieser Stähle bereits dazu geführt, dass der Kraftbereich der Prüfmaschinen zum Tiefziehen nach oben erweitert werden musste. Weitere Forderungen der Blechhersteller, neben dem Eliminieren möglicher Störungen aus Prüfprozessen, sind ein einfaches und schnelles Austauschen von Werkzeugen für unterschiedliche Prüfungen sowie integrierte Funktionen wie Niederhalten, Stanzen, Ziehen und Auswerfen.

Bei den Messungen zur Materialcharakterisierung kommt der Bestimmung der Grenzformänderungskurve FLC (forming limit curve) eine besondere Bedeutung zu. Sie wird benötigt, um Verformungen, von der Einschnürung bis zum Bruch, mit vorliegenden Struktur- und Formänderungen an realen Bauteilen vergleichen und bewerten zu können. Eine Kenngröße für die Tiefziehbarkeit einer Blechsorte ist der LDR-Parameter (Limiting Drawing Ratio). Er gibt das maximale Verhältnis von Ronden- zu Stempeldurchmesser an, bei dem sich die Ronde zu einem Näpfchen tiefziehen lässt ohne zu reißen. Dieser sogenannte Näpfchenziehversuch ist ein mechanisches Prüfverfahren zur Charakterisierung der Tiefziehbarkeit und der Dehnungsverhältnisse eines Materials. Ein Bruch folgt meist durch eine zu geringe Wandstärke infolge der Zugspannung in Längsrichtung. Weitere Prüfverfahren in der Blechumformung bei hochfesten Stahlwerkstoffen sind Tiefungsversuche nach Erichsen und der Lochaufweitungsversuch. Der Tiefungsversuch ist eine Verformbarkeitsprüfung zum Auswerten der plastischen Verformbarkeit von Blech und Bändern beim Streckformen. Hierzu wird eine Kalotte in einen Blechzuschnitt gedrückt, bis ein Durchgangsriss entsteht; anschließend erfolgt die Messung der Eindringtiefe. Der Lochaufweitungsversuch wird beispielsweise zur Charakterisierung des Kantenrissbildungswiderstands eingesetzt. Zu den Herausforderungen einer objektiven Auswertung des Kantenrisswiderstands gerade bei AHS-Stählen gehören auftretende Schwankungen der Materialeigenschaften und Störungen, die aus Prüfprozessen folgen können. Diese werden durch unterschiedliche Prüfverfahren und Einrichtungsbedingungen, durch Prüfgeräte selbst oder aufgrund von Bedienereinflüssen verursacht.

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Hoher Durchsatz im Routinebetrieb

Wie eine effiziente Prüfung der Umformbarkeit von Blechen nach gängigen Normen aussehen kann, zeigt Zwick mit der Blechumform-Maschine BUP 1000. Sie erreicht nicht nur die für eine Prüfung hochfester Stähle erforderlichen Kräfte bis 1000 kN, sondern bietet zusätzlich integrierte Funktionen und ein Höchstmaß an Flexibilität. Eine dieser Funktionen ist der automatische Kolbenrückzug und die Abschaltung nach Versuchsende durch Risserkennung oder Erreichen des maximalen Tiefungswegs. Ein weiteres Merkmal der Maschine, beispielsweise für den Näpfchenziehversuch, ist ein integrierter hydraulische Auswerfer im Ziehstößel. Das erleichtert die Handhabung und erhöht den Durchsatz im Routinebetrieb. Besonderer Wert wurde auf die Steuerungstechnik der hydraulischen Maschine gelegt, die mit einer SPS den Umformversuch über Kraft- und Stempelwegmessung steuerbar macht. Damit können sowohl Normversuche korrekt durchgeführt, als auch Umformprozesse in kleinem Maßstab nachgebildet werden. Der maximal zur Verfügung stehende Stempelweg und der breite Geschwindigkeitsbereich des Ziehstempels decken ein großes Spektrum von Anwendungen ab. Die Blechumform-Maschine BUP 1000 wird meist in der Automobilindustrie eingesetzt und trägt zur Ermittlung notwendiger Werkstoffkennwerte und zur Qualitätssicherung vor der Blechweiterverarbeitung bei.

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