Development of a model to describe springback and residual stresses resulting from bending at elevated temperatures
Final Report Abstract
Das temperaturunterstützte Blechbiegen ist ein Ansatz, um durch angepasste Umform- und Produkteigenschaften den Leichtbau zur Einsparung von Ressourcen zu ermöglichen. Trotz vieler Untersuchungen durch empirische, numerische und analytische Ansätze zu unterschiedlichen Prozess- und Werkzeugausführungen sowie Werkstoffen konnten den beobachteten Phänomenen bisher keine eindeutigen Ursachen zugeordnet werden. Zur Klärung der wirkenden Mechanismen wurden in diesem Vorhaben daher die relevanten Werkstoffparameter charakterisiert, der temperaturunterstützte Biegeprozess im elementaren Versuchsaufbau nachgebildet und analysiert sowie ein Prozessmodell entwickelt. Um die Phänomene zu klären und den Biegeprozess zu modellieren, wurden zunächst unterschiedliche Werkstoffe in Bezug auf das elastische und plastische Verhalten charakterisiert. Analysiert wurden ein mikrolegierter Stahl, zwei Aluminium- und zwei Titan-Legierungen. Das elastische Verhalten wurde durch zyklische Be- und Entlastungsversuche hinsichtlich des Umformgrads und der Temperatur charakterisiert. Aufgrund des untergeordneten Einflusses der plastischen Formänderung auf den E-Modul wurde diese Größe nicht weiter betrachtet und einzig der Temperatureinfluss aufgegriffen. Das plastische Verhalten wurde im Hinblick auf die Anfangsfließspannung, die Kaltverfestigung und die thermische Entfestigung untersucht. Je nach Legierungskonzept führt die zunehmende Temperatur zu Diffusionsvorgängen und erheblichen Festigkeitsänderungen. Darauf aufbauend wurden Werkstoffgesetze nach Swift und Cowper Symonds angewandt, um die Werkstoffeinflüsse im Biegeprozess zu erkennen. Zur Beschreibung der wirkenden Mechanismen wurden ferner der Frei- und Gesenkbiegeprozess durch elementare Versuchsaufbauten analysiert. Beide Prozesse unterscheiden sich durch das Eingriffsverhältnis im Werkzeug und bedingen damit unterschiedliche Effekte, die sowohl zur Änderung der Geometrie als auch der mechanischen Eigenschaften führen. Während beim Freibiegen näherungsweise ein isothermer Zustand vorliegt und infolge des Überbiegens die belastete Kontur eine Funktion von Prozess- und Werkstoffeinflüssen ist, tritt im Gesenkbiegeprozess beim Nachdrücken eine erhebliche Temperaturänderung auf, die zu thermischen Dehnungen führt. Entsprechend wurden zwei Ansätze entwickelt, die für die jeweiligen Randbedingungen zugeschnitten sind und ein adäquates Prozessmodell liefern. Vor diesem Hintergrund wurde das Überbiegeverhältnis zur Beschreibung der belasteten Kontur vorgeschlagen. Diese Größe ist wie die Rückfederung selbst abhängig von den Prozessparametern, sodass zwei unabhängige Mechanismen zur Einstellung des Biegewinkels zur Verfügung stehen. Beim Gesenkbiegen wird hingegen die Rückfederung neben der Umformtemperatur durch einen Streckvorgang infolge des Auskühlens im Werkzeug kontrolliert, sodass ebenfalls ein weiterer Mechanismus zur Einstellung der Produktgeometrie gegeben ist. Für den Freibiegeprozess wurde ein halbanalytisches Modell mit einer Diskretisierung der Biegelinie zur Beschreibung der resultierenden Geometrie entwickelt. Hierbei wurden die nichtlineare Verfestigung und die Dehnratensensitivität berücksichtigt, die einen erheblichen Einfluss auf das Biegeergebnis besitzen. Beim Gesenkbiegen ist aufgrund des geringeren Dehnrateneinflusses und der vorgegebenen belasteten Kontur eine geschlossene Lösung des Spannungsverlaufs möglich. Bei einer vorgegebenen Umform- und Entnahmetemperatur gibt das Modell die Rückfederungsänderung infolge des thermischen induzierten Streckens an. Durch die Prozessuntersuchung wurde das notwendige Verständnis über die herrschenden Mechanismen beim temperaturunterstützten Biegen geschaffen, damit diese Technologie in den verschiedenen Branchen eingesetzt werden kann. Aufgrund der getroffenen Annahmen gilt die entwickelte Theorie für eine stetige Änderung der elastisch-plastischen Eigenschaften und kann somit für unterschiedliche Stähle und NE-Metalle angewendet werden, die auf festigkeitssteigernden Mechanismen wie der Kornfeinung, der Kaltverfestigung, der Mischkristallhärtung oder der Ausscheidungshärtung beruhen. Die entwickelte Theorie dient zur Prozessauslegung und zur Einstellung der variablen Prozessparameter im laufenden Betrieb, sodass numerische oder experimentelle Vorstudien vermieden werden können.
Publications
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