Investigations into a comprehensive tolerancing concept for incremental sheet forming through a local blank holder and stress relief annealing under partial constraints
Final Report Abstract
Aktuelle Trends hinsichtlich einer zunehmend individualisierten Produktion und zur Informatisierung der Produktionstechnik (Industrie 4.0) eröffnen prinzipiell die Möglichkeit, mit der inkrementellen Blechumformung kundenangepasste Bauteile auf Basis digitaler Daten herzustellen und das Verfahren industriell zu etablieren. Hierzu muss jedoch die Maßhaltigkeit gemäß den Vorgaben in der Fertigungszeichnung gewährleistet werden. Das Projekt diente insbesondere dazu, ein vertieftes Verständnis der Umformmechanismen und der Eigenspannungsentwicklung bei der IBU zu entwickeln. Es wurden Strategien zur Erhöhung der geometrischen Genauigkeit untersucht, wobei insbesondere die mehrstufige Umformung in ihrer Wirkungsweise auf die Reduktion der Biegeanteile der Umformung zurückgeführt und erfolgreich eingesetzt werden konnte. Zur Bewertung der Umformstrategien wurde ein gekoppelter numerisch-analytischer Ansatz zur Aufteilung der plastischen Energie während des IBU-Prozesses in drei Verformungsmodi, die Membrandehnung, die Biegung und die Schubverformung entwickelt. Der Ansatz zur Aufteilung wurde auf den mehrstufigen IBU-Ansatz ausgeweitet und die geometrische Genauigkeit auf das Verhältnis von Membran- zu Biegeumformung zurückgeführt. Des Weiteren wurde die Eigenspannungsentwicklung über die gesamte Prozesskette des SPIF Prozesses untersucht und der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Verteilung der Eigenspannungen im eingespannten, aus der Einspannung befreiten und beschnittenen Zustand dargestellt. Den größten Einfluss auf die Eigenspannungen hat der W andwinkel. Es konnten drei Strategien vorgestellt werden, die die geometrische Genauigkeit nach der Umformung erhöhen. Damit können Werkstücktoleranzen im umgeformten Bauteil eingestellt werden. Um einen Verzug bei der Entnahme aus der Einspannung und dem Beschnitt zu vermeiden, wurde ein modulares Werkzeugkonzept entwickelt, dass es ermöglicht, die Bauteile nach dem Umformprozess unter partiellem Formzwang spannungsarm zu glühen. Das Werkzeug ist aus Stahllamellen aufgebaut, die sich z.B. durch W asserstrahlschneiden fertigen lassen. Sie werden für die Umformung mit kostengünstigen Kunststofflamellen zu einem Werkzeug kombiniert. Die Kunststoffeinsätze werden nach Umformung entnommen und das umgeformte Bauteil im Lamellenwerkzeug im Ofen unter partiellem Formzwang spannungsarm geglüht. Aus Experimenten konnten Modelle entwickelt werden, die Abhängigkeit zwischen der Streckgrenze und den Glühparametern bestimmt sowie optimale Glühparameter zur Minimierung des Verzugs ermittelt werden. Mit den Modellen können die mechanischen Eigenschaften nach der Wärmebehandlung vorhergesagt werden. Zur Validierung der Arbeiten wurde eine Motorhaube mit und ohne Spannungsarmglühen unter Verwendung eines modularen Werkzeugs hergestellt. Es konnte ein signifikanter Genauigkeitsgewinn nachgewiesen und die Forschungsergebnisse in ein umfassendes Toleranzkonzept überführt werden. Damit ist die Prozessfähigkeit aufgrund der früher häufig nicht einhaltb aren geometrischen Toleranzanforderungen für viele Anwendungen gegeben. Zukünftige Arbeiten sollten sich der Verkürzung der Glühzeit widmen, z.B. durch Nutzung von Infrarotstrahlern und Reduktion der thermischen Trägheit der Werkzeuge.
Publications
- (2017) A modular tooling set-up for incremental sheet forming (ISF) with subsequent stress-relief annealing under partial constraints. AIP Conference Proceedings 1896, 080010
Maqbool, F., Bambach, M.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5008090) - (2017) Revealing the Dominant Forming Mechanism of Single Point Incremental Forming (SPIF) by Splitting Plastic Energy Dissipation. Procedia Engineering 183: 188–193
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.018) - (2018) Dominant deformation mechanisms in single point incremental forming (SPIF) and their effect on geometrical accuracy. International Journal of Mechanical Sciences 136: 279–292
Maqbool, F., Bambach, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.12.053) - (2018) Simulation of residual stresses and their impact on geometrical accuracy in incremental sheet metal forming. Proc. Appl. Math. Mech. 18(1): e201800302
Maqbool, F., Bambach, M.
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Maqbool, F., Bambach, M.
(See online at https://doi.org/10.3390/jmmp3020031)
