Karosserieaußenhautteile Werkzeugbelastung bei der Umformung von Stylingkanten

Autor / Redakteur: Arndt Birkert, Moritz Nowack, Thomas Minde, Heiko Lehmann, Julian Heinzl / M.A. Frauke Finus

Bislang besteht bei verschiedenen Karosserieherstellern eine gewisse Unsicherheit in Bezug auf die beim Nachprägen scharfer Kanten auftretenden und maximal zulässigen Werkzeugbelastungen. In dem vorliegenden Beitrag wird aufgezeigt, wie sich die zur Umformung erforderlichen Kräfte einerseits und die im Werkzeug auftretenden Spannungen andererseits mit Hilfe der FE-Simulation ermitteln lassen. Ferner wird aufgezeigt, wie sich die im Werkzeug auftretenden versagensrelevanten Vergleichsspannungen durch Einstellung eines gezielten Lastzustands infolge geeigneter Stempelwirkfläche reduzieren lassen.

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Vergleichsspannung und Druckspannungsverlauf im Nachprägebereich.
Vergleichsspannung und Druckspannungsverlauf im Nachprägebereich.
(Bild: HS Heilbronn)

Das Zentrum für Umformtechnik und Karosseriebau, als Teil der Hochschule Heilbronn, forscht im Bereich der umformtechnischen Karosserieteilherstellung. Übergeordnetes Ziel ist die Verkürzung der Prozesskette bis zum fertigen Werkzeug, um somit Zeit und Kosten einzusparen bei gleichzeitig zunehmenden Anforderungen an Qualität und Ästhetik. Vor allem auch der Trend zu immer schärfer ausgeprägten Stylingkanten in Außenhautteilen stellt für den Werkzeugbau eine zusätzliche Herausforderung dar. Die Entwicklung geeigneter Maßnahmen zur Verkürzung der Werkzeugeinarbeitungsphase steht im Fokus. Die Analyse der Werkzeugbelastung insbesondere beim Nachprägen von Stylingkanten unter hohen Spannungen liefert Ergebnisse, welche bereits bei der Gestaltung der Werkzeugwirkflächen genutzt werden können.

Belastungen von Blechumformwerkzeugen wurde unter anderem im Jahre 2008 von Schneider [Sch08] untersucht. Grundlegend wurde der Kontaktdruck ermittelt sowie die resultierende Spannung im Werkzeuginneren bestimmt. Die Massivumformung zum Nachprägen scharfer Stylingkanten wurde in der betreffenden Arbeit nicht berücksichtigt. Nach Errami [Err15] muss zudem die Oberflächenqualität berücksichtigt werden, welche mit der FEM-Simulation nicht final beurteilt werden kann. Der Druckspannungsverlauf an Blechoberfläche kann jedoch als Kriterium zur Beurteilung der Qualität herangezogen werden [Err15]. Bereits abgeschlossene Projekte [Err15] haben ergeben, dass eine werkstoffspezifisch überkritische Steigung im Spannungsverlauf eine optisch minderwertige Oberfläche zur Folge hat. Dies ist auf den abrupt wechselnden Flächentraganteil bzw. den Grad der Einebnung von Rauheitsspitzen zurückzuführen. Die vorliegende Ausarbeitung schließt die Lücke zur Bewertung der Belastbarkeit von Werkzeugen im Bereich von Stylingkanten und liefert Ansätze zur Gestaltung der Werkzeugwirkflächen.

In abgeschlossenen Arbeiten an der HHN wurde nachgewiesen, dass die Nebenformänderung an Stylingkanten unter 0,02 % liegt, weshalb im Simulationsmodell die Dehnung in Richtung der Stylingkante per Randbedingung vereinfachend unterbunden wurde. Dies bedeutet, dass die Werkzeugbelastung beim Prägen mit einem 2D-Simulationsmodell untersucht werden kann. Werkstück und Prägewerkzeug wurden durch Volumenelemente diskretisiert, da das Nachprägen maßgeblich durch unter senkrecht zur Blechdicke wirkenden Druckspannungen erfolgt. Verschiedene Prägestempel wurden hinsichtlich der auftretenden Vergleichs- und größten Hauptspannungen bewertet, um so Erkenntnisse zur Werkzeugbelastung zu erhalten. Exemplarisch wurden die Belastungen beim Prägen eines Stylingkantenaußenradius von 0,8 mm bei einer Blechdicke von 0,7 mm des Werkstoffs DX56 simuliert. Sowohl die Simulations- als auch die realen Versuchsergebnisse zeigen, dass zum Nachprägen bei dem gewählten Setup eine Presskraft von ungefähr 35-40 kN pro 10 mm Kantenlänge benötigt wird. Abbildung 1 zeigt, dass die maximale Vergleichsspannung dabei durch die Gestaltung der Stempelgeometrie signifikant beeinflusst werden kann. Zudem ist der Druckspannungsverlauf an der Blechoberfläche dargestellt.

Werkzeugbelastung reduzieren

Demnach konnte die Werkzeugbelastung mit einer an die Blechdicke angepassten Stempelgeometrie reduziert werden. Der fließrelevante deviatorische Anteil des Spannungstensors wird kleiner, wodurch die Sicherheit gegen Fließen des höchstbelasteten Werkzeugbereichs zunimmt. Das bedeutet eine höhere Sicherheit gegen Versagen, solange davon auszugehen ist, dass das Versagen der scharfen Werkzeugkante nicht durch Bruch, sondern durch Fließen erfolgt. Diese Annahme ist dann erfüllt, wenn im betreffenden Werkzeugbereich aufgrund der eingestellten Härte eine gewisse Restduktulität vorliegt.

Umgekehrt hat ein nicht vollständiger Flächenkontakt zwischen Blech und Werkzeug in unmittelbarer Nähe zum Prägeradius nicht nur eine minderwertige Werststückoberfläche zur Folge; es resultiert daraus auch eine ungleich höhere Vergleichsspannung, die im Grenzfall die Fließspannung im Stempel übersteigt. Deshalb ist neben dem Anspruch an eine makellose Bauteiloberfläche auch aus Sicht einer ausreichenden Sicherheit gegen Fließen ein vollständiger Flächenkontakt beim Nachprägen von grundlegender Bedeutung. Die Dehngrenze beziehungsweise Streckgrenze von Nachformwerkzeugen variiert je nach Werkstoff von etwa 420 bis 900 MPa. Die Notwendigkeit einer ausreichenden Prozesssicherheit im Hinblick auf plastische Verformung der Werkzeuge drückt sich in der Forderung σV ≤ 0,8 * Re aus. Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass bei nicht optimaler Gestaltung des Nachprägewerkzeugs dieser Forderung nur bedingt entsprochen werden kann.

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