Integration of functional elements in sheet metal components through deep-drawn double blanks
Final Report Abstract
Kern dieses Forschungsvorhabens bildete die Entwicklung einer Umformmethode zur Herstellung neuartiger kraftschlüssiger sowie funktionsintegrierter Doppelplatinenverbunde, die numerische Modellierung dieser Umformmethode sowie die numerische und experimentelle Ermittlung bestehender Verfahrensgrenzen und von erzielbaren Funktionseigenschaften der zu erzeugenden Bauteile. Mit Blick auf die numerische Modellierung des so genannten Gemeinsantiefziehens von Doppelplatinen sowie die numerische Vorhersage der zu erzielenden Verbindungskräfte von Doppelplatinenverbunden wurden zunächst die hierfür erforderlichen mechanisch-technologischen Kennwerte der ausgewählten Blechwerkstoffe ermittelt. Neben der klassischen Materialcharakterisierung wurde hierbei insbesondere die kinematische Verfestigung und das Rückfederungsverhalten der betrachteten Werkstoffe untersucht. Weiterhin wurden Streifenziehversuche zur Ermittlung der Reibungsbedingungen zwischen den Doppelplatinen durchgeführt, wobei insbesondere der Einfluss der verwendeten Werkstoffkombinationen, des Beölungszustandes und der Flächenpressung analysiert wurde. Anhand der ermittelten Messkurven und Kennwerte konnten die für die mehrstufigen Simulationen verwendeten Material- und Reibungsmodelle parametrisiert werden. Simuliert wurden das Gemeinsamtiefziehen, die freie Rückfederung nach der Umformung und die Wiederbelastung im Auszugsversuch. Für eine möglichst präzise Vorhersagegenauigkeit der Verbindungskraft der Doppelplatinenverbunde wurde jede dieser Simulationsstufe mittels entsprechender Experimente validiert. Für die Modellierung erwies sich das in LS-Dyna implementierte Materialmodell MAT_226 als am besten geeignet. In diesem Modell wird die zur numerischen Beschreibung der Verbindungskräfte erforderliche Abhängigkeit des E-Moduls von der plastischen Dehnung sowie die isotrop-kinematische Verfestigung des Werkstoffs nach dem Yoshida-Uemori-Verfestigungsmodell berechnet. Hinsichtlich der Modellierung der Reibungsbedingungen lieferte das dynamische Reibungsmodell nach Kaminsky die besten Ergebnisse. Zusammenfassend konnte ein Simulationsmodell aufgebaut werden, das nachweislich die realitätsnahe numerische Darstellung des Umformprozesses von Doppelplatinen mit und ohne Funktionselement sowie die Vorhersage der zu erzielenden Verbindungskräfte von Doppelplatinenverbunden ermöglicht. Basierend auf den numerischen Untersuchungen wurde ein Umformwerkzeug zur Erzeugung von Doppelplatinenverbunden mit und ohne Funktionselement in Form von Näpfen gefertigt. Mit diesem wurden anschließend eine Vielzahl an Doppelplatinen zunächst ohne Funktionselemente zu Napfbauteilen gemeinsam tiefgezogen. Variiert wurden hierbei die Werkstoffkombinationen und die Prozessparameter. Anschließend wurden die Verbindungskräfte der erzeugten Doppelplatinenverbunde mittels eines eigens konstruierten Auszugversuchs ermittelt. Diese Experimente haben gezeigt, dass die gewählte Werkstoffkombination von innen- und außenliegendem Napf, die Ziehtiefe und die Reibungsbedingungen die signifikantesten Einflüsse auf die Verbindungskraft der gemeinsam tiefgezogenen Doppelplatinenverbunde aufweisen. Die maximale Auszugkraft von 10 kN wurde in diesen Untersuchungen für die Werkstoffkombination DP1000/DC04 gemessen. Im Hinblick auf die Simulation zeigten diese Ergebnisse, dass insbesondere die maximale Auszugkraft mit dem aufgebauten Simulationsmodell unter Berücksichtigung der eingesetzten Werkstoffe und Prozessparameter vorhergesagt werden kann. Schließlich war es mit dem Versuchswerkzeug möglich, Doppelplatinenverbunde mit Funktionselement (Sechskant- und Rändelmuttern) durch das Gemeinsamtiefziehen ohne weitere Fügehilfsmittel zu erzeugen. Es wurde geprüft, ob der Reibschluss dieser flächigen Verpressungen ein Drehmoment, welches über das Befestigungselement eingeleitet wurde, übertragen kann. Dabei zeigte sich, dass mit Näpfen aus den Kombinationen von DC04 mit den DP-Stählen ein max. Drehmoment von etwa 80 Nm unter Verwendung von Sechskantmuttern erzielt werden kann (bei DC04/Aluminium nur 21 Nm). Zusammenfassend konnte durch die numerischen und experimentellen Forschungsarbeiten, das Ziel der Entwicklung einer Umformmethode zur Herstellung von kraftschlüssigen und funktionsintegrierten Doppelplatinenverbunden erreicht werden. Die eingangs gestellten Forschungsfragen nach den erforderlichen Platineneigenschaften und Prozessgrößen, den erzielbaren Bauteileigenschaften und einem geeigneten Simulationsmodell zur Auslegung dieses Prozesses wurden vollumfänglich beantwortet.
