Das Penetrieren von Blechen und Tiefziehteilen

Einleitung

Diese Technologie wurde im Rahmen der Internationalen Konferenz "Neuere Entwicklungen in der Blechumformung 2008" des IFU Stuttgart unter Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Liewald MBA mit dem Wissenschaftspreis ausgezeichnet.

Das Tiefziehen und das Streckziehen sind die wichtigsten Umformverfahren für die wirtschaftliche Herstellung von Blechformteilen in der Serienfertigung von Fahrzeug-, Maschinen- und Luftfahrtindustrie.

Das Tiefziehen zählt zu den „mittelbaren“ Umformverfahren. Über den Radius des Tiefziehstempels wird die für die Umformung erforderliche Tiefziehkraft in das Umformgut eingeleitet. Diese Kraft wird dann „mittels“ der Zarge in die Umformzone (Ziehradius an der Matrize sowie Flansch) übertragen.

Im Ziehteilboden entstehen während des Prozesses Spannungsverhältnisse, die häufig nicht genügen die Blechdicke im Boden zu reduzieren. Die Steuerbarkeit der Spannungs- und Dehnungsverhältnisse in diesem Bereich sind nicht optimal  so bleiben häufig Materialanteile ungenutzt.

Nachfolgend vorgestelltes Umformverfahren zeigt Möglichkeiten auf, die Dehnungen und Verfestigungen im Ziehteilboden auf die jeweiligen funktionalen Anforderungen des Umformgutes einzustellen. Dies steigert zum einen die Materialeffizienz und somit die Nachhaltigkeit des Fertigungsprozesses insgesamt.

Zum anderen sind mit diesem Verfahren Festigkeitssteigerungen sowie Verbesserungen der Formhaltigkeit des Umformgutes erreichbar.

Grundlagen

Ein Tiefziehteil besteht im Wesentlichen aus dem Ziehteilboden, der Zarge sowie eventuell einem Flansch (Abbildung 1). Das gesamte Einsatz-Blechvolumen der Ausgangsplatine teilt sich in diese Flächenbereiche auf. Insbesondere bei Tiefziehteilen mit einem geringen Ziehverhältnis ist der prozentuale Anteil an Blechvolumen welcher sich im Ziehteilboden befindet ziemlich hoch.

Der relative Flächenanteil Arel_Boden in % der Bodenfläche ermittelt sich aus dem Ziehverhältnis b mit folgendem Zusammenhang:

Flächen beim Ziehen

In %  mit dem Ziehverhältnis b für das gilt:

Ziehverhältnis

Diesen Zusammenhang zeigt die Abbildung 2.

Tiefziehen Flächenanteile
Abbildung 1  Tiefziehteil mit Blechbereichen und Einsatzplatine
Flächenanteile, Ziehverhältnis
Abbildung 2  Prozentualer Flächenanteil des Ziehteilbodens im Verhältnis zur Gesamtfläche der Platine
 

Nach Abbildung 2:
Ein rundes Tiefziehteil mit einem Enddurchmesser d1 von 100 mm und einem Platinendurchmesser D0 von 200 mm hat ein Ziehverhältnis Beta von 2. Der prozentuale gespeicherte Flächenanteil im Ziehteilboden beträgt  25 %. Beträgt das Ziehverhältnis 1.41 so befindet sich 50 % des eingesetzten Flächenanteils im Ziehteilboden.

Die entstehenden Spannungsverhältnisse genügen oftmals nicht, im Bodenbereich des Ziehteiles eine signifikante Verringerung der Blechstärke zu erzeugen (siehe Abbildung 3). Die Festigkeit in diesem Bereich entspricht der Festigkeit des Ausgangsmaterials. Hierdurch bleiben Materialanteile ungenutzt.

Umformgrade Ziehteil
Abbildung 3  Formänderungen über den Längsschnitt eines Tiefziehteils

Des Weiteren führt die geringe Verfestigung in diesem Bereich in manchen Fällen zu einer mangelnden Formhaltigkeit.

Die Spannungsverhältnisse und somit die entstehende Dehnung im Ziehteilboden sind in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern:

Geometrische Parameter:

  • Form des Ziehteilbodens (Eben, Halbkugel, Klöpperboden…)
  • Stempelkantenradius
  • Matrizenradius

Prozessparameter:

  • Blechhalterkraft
  • Matrizenradius
  • Temperatur
  • Reibungsverhältnisse
  • Schmierung
  • Umformgeschichte
  • Verschleißzustand

Werkstoffparameter:

  • Planare und senkrechte Anisotropie
  • Streckgrenze und Zugfestigkeit
  • Fliesskurve, u. a.

Zumindest die Prozessparameter und die Werkstoffparameter können in einer weiten Bandbreite während des Fertigungsprozesses schwanken. Somit wird deutlich, dass die erreichbaren Dehnwerte im Ziehteilboden nicht immer konstant sind und sich während der Prozessabfolge signifikant verändern können.

Dehnungspotential

Material εs max.
St 1303 36,0%
X5CrNi189 45,3%
BHZ 220 29,8%
BHZ 300 25,9%
CHRX 35 32,4%
CHLY 40 29,4%
PHZ 26 27,6%
ZStE 260 28,7%
ZStE 340 24,9%
ZStE 420 22,3%
AlMg5Mn 16,2%
Al99,5 W7 32,4%
Al99,5 G9 26,9%
Al99,5 G13 11,8%
AlMg3 W19 17,4%
AlMg3 G27 8,5%

Wie schon dargestellt sind die Dehnwerte im Ziehteilboden oft nur eingeschränkt steuerbar und schwanken während des Prozessfortganges.

In Tabelle 1 wird das Dehnungspotential der verschiedenen Materialgüten anhand des mechanischen Tiefungsversuchs aufgezeigt. Hierbei wird eine Blechplatine fest eingespannt und durch Eindringen eines mechanischen Prägestempel mit Kraft beaufschlagt. Das Blech tieft sich und wird durch reines Streckziehen umgeformt, da durch die Einspannung kein Nachfließen möglich ist. Die Tiefung hat eine Blechdickenabnahme zur Folge. Die aufgezeigte Dehnwerte εs max. zeigen die maximalen prozentualen Blechdicken-reduktionen bis es zum Versagen des Werkstoffes kommt.

Mit den Werten in Tabelle 1 ist eine Berechnung der maximalen Oberflächenvergrößerung im Ziehteilboden möglich.

Oberflächenvergrößerung Δ A Boden Ziehteilboden in %:

Oberflächenvergrößerung
 

Bei einem  Ziehteil wird die Bodenfläche um 30 % von s0 = 1 mm auf sn = 0,7 mm verdünnt.
Hierdurch wird die Bodenfläche um 43 % vergrößert.

Diese Vergrößerung der Bodenfläche kann nun zu einer Verkleinerung der Einsatzplatine führen. Die durch die Ausdünnung des Bodens generierte Fläche muss nicht mehr durch die Einsatzplatine gedeckt werden. Das theoretisch maximale  Platinenverkleinerungs-potential berechnet sich nun aus der Multiplikation von Δ A Boden und dem prozentualen Anteil des Bodens an dem gesamten Blecheinsatz.

in %: Oberflächenvergrößerung
 

Bei einem Ziehteil beträgt der Bodenanteil 50 % (Beta = 1,41). Durch den Fertigungsprozess wird der Ziehteilboden um 30 % verdünnt. Dies führt zu einer Vergrößerung der Bodenfläche um 43 %. Da der Bodenanteil 50 % beträgt ist das theoretische Platinenverkleinerungspotential: Δ A Platine = 0,43 x 0,5 = 0,215 = 22 %

Steigerung des Grenzziehverhältnisses

Umgekehrt kann die Vergrößerung der Bodenfläche zu einer Steigerung des Grenzziehverhältnisses führen. Hierzu rechnet man Δ A Boden auf eine virtuelle Platine zurück und erhält eine Schätzung über die Änderung des Grenzziehverhältnisses Δb:

Grenzziehverhältnis

Vereinfacht liegt die Steigerung des Grenzziehverhältnisses zwischen 10 und 20 %.

In Beispiel 3 errechnen wir eine Platinenänderung von 22 %. Beträgt das Grenzziehverhältnis b100 des Werkstoffes den Wert 2 so schätzen wir die Steigerung des Grenzziehverhältnisses mit folgender Rechnung ab:

Grenzziehverhältnis

Dies bedeutet, dass das konventionelle Ziehverhältnis von 2 auf 2.42 gesteigert werden kann.

Das Penetrieren von Ziehteilen

Deformation des Ziehteilbodens

Während des Tiefziehens (Abb. 4) wird in den Ziehteilboden eine axiale Zugspannung eingebracht. Diese allein genügt nicht den Boden gezielt und signifikant zu dehnen. Im Oberwerkzeug befindet sich ein Hohlprägestempel (Penetrant).

Penetrieren 1
Abbildung 4  Tiefziehen eines Blechnapfes

Dringt nun im weiteren Fortgang des Ziehprozesses der Ziehstempel in den Hohlprägestempel ein (Abb. 5), so ist es möglich in den Ziehteilboden Dehnungen zu induzieren. Der Ziehteilboden wird gemäß der Kontur des Hohlprägestempels und der in den Tiefziehstempel eingravierten Gegenform gedehnt.

Während der Phase der Hohlprägung findet kein oder nur ein geringes Nachfließen des Werkstoffes von der Zarge in den Ziehteilboden statt. Die Oberflächenvergrößerung wird vielmehr aus dem Dehnungsvermögen der Bodenblechpartie gespeist.

Penetrieren 2
Abbildung 5  Tiefziehen mit überlagerter Deformation des Ziehteilbodens

In Folge der Dehnung der Bodenpartie kommt es zu einer Verdünnung des Bleches in diesem Bereich. Durch die Kaltverfestigung des Metalls wird das Blech zudem verfestigt.

Der Ziehteilboden erhält die geometrische Form des Prägestempels, wird also deformiert.

Reformation des Ziehteilbodens

Im weiteren Fortgang (Abbildung 6) muss nun die deformierte Bodenfläche wider in einen ebenen Zustand überführt werden. Zu diesem Zweck wird der Hohlprägestempel während des Tiefziehens entgegen der Ziehbewegung beschleunigt und die axialen Zugspannungen in der Zarge überführen die Bodendeformation in einen ebenen Zustand.

Der mit der Phase der Deformation einher gehende Oberflächenzugewinn wird nun in der Phase der Reformation in die Zarge überführt. Es kommt zu einem diskontinuierlichen Blechfluss vom Ziehteilboden in die Ziehteilzarge.

Penetrieren 3
Abbildung 6  Tiefziehen mit überlagerter Reformation des Ziehteilbodens

Die in Abbildung 6 gezeigte Kalottenform erzeugt eine Oberflächenvergrößerung von ca. 5 %. Wie im vorangegangenen Abschnitt gezeigt, sind jedoch weitaus höheren Dehnungen des Metalls möglich. Die Effizienz des Verfahrens lässt sich nun steigern in dem das Deformieren und Reformieren des Bodens mehrfach hintereinander im selben Tiefzug durchgeführt wird.

Die einzelnen Zwischenstufen zeigt nun Abbildung 7. Man sieht wie der Ziehteilboden zweimal während des Tiefziehen zunächst deformiert und anschließend wider reformiert wird. Die Ausgangsblechstärke s0 wird während dieses Vorganges zu der Blechstärke sn verdünnt. Dies führt zu einer Oberflächenvergrößerung. Diese Fläche fließt während der Reformation über den Stempelradius in die Zarge ab und führt hierdurch zu einer Zargenerhöhung.

Ein einzelner Dehnungszyklus, bestehend aus der Deformation und anschließenden Reformation des Ziehteilbodens wird Penetration genannt.

Stadien beim Penetrieren
Abbildung 7  Stadien beim Penetration-Tiefziehen

Rechteckiges Ziehteil

Nachfolgende Bilder zeigen das Penetrieren eines Rechteckteiles. In Abbildung 8 ist die Deformationsphase und in Abb. 9 die Reformationsphase dargestellt. Zudem sind die erzeugten Dehnungen im Ziehteilboden eingeblendet. Diese liegen zwischen 12 und 18 %.

Penetrieren Ziehsimulation
Abbildung 8  Penetrieren eines Rechteckteiles à Phase der Deformation
Penetrieren Ziehsimulation
Abbildung 9  Penetrieren eines Rechteckteiles à Phase der Reformation

Das Kurzhub-Penetrieren

Die oben vorgestellte Fertigungsmethode des Penetrierens stellt darauf ab, während des Tiefziehens eine iterative Hohlprägung zu überlagern und die entstehende Deformation des Ziehteilbodens durch prozessimmanente Zugspannungen wider zu Reformieren.

Die erforderliche Bewegungscharakteristik der beteiligten Komponenten ist jedoch für mechanische Pressen nicht optimal. Des Weiteren ist das zur Verfügung stehende Zeitfenster bei mechanischen Pressen zu gering um mehrerer Penetrationen ausführen zu können.

Um dennoch signifikante Dehnungen erzeugen zu können wird in der nachfolgend beschriebenen Fertigungsmethode das Penetrieren von dem Tiefziehen getrennt.

Kurzhubpenetrieren
Abbildung 10  Kurzhub-Penetrieren einer Blechplatine

Im ersten Arbeitsgang wird die Platine in mehreren Penetrationen im Bodenbereich gedehnt. Die Ausgangsblechdicke wird von s0 auf sn verdünnt, die beteiligte Blechzone wird auf den gewünschten Wert verfestigt.

Durch die Materialumverteilung wird eine erste Prä-Zarge mit der Höhe hp angeformt.

Diese vorgeformte Platine wird nun in die Tiefziehstation weitergetaktet und dort zum Tiefziehteil gezogen.

Penetrieren Bierfass
Abbildung 11  Kurzhub-Penetrieren eines Bierfasses

Abbildung 11 zeigt eine Tiefziehsimulation dieser Fertigungsmethode. Vorteilhaft hier ist die Verfestigung im Bereich der späteren Ventilmuffe. Diese statischen und dynamischen Festigkeitskennwerte können hierdurch wesentlich gesteigert werden.

Penetrieren Bierfass
Abbildung 12  Kurzhub-Penetrieren eines Bierfasses

Abbildung 12 zeigt den direkten Vergleich eines zuvor penetrierten Bierfasses mit einem  herkömmlich hergestellten. Deutlich ist der größere Flansch zu erkennen der durch die Materialumverteilung des Blechvolumens vom Boden erzeugt wird. In diesem Fall kann die Platine um 8 % verkleinert werden.

Zusammenfassung

Das Penetrieren (zum Patent angemeldet) beschreibt ein Verfahren, bei dem das Ziehgut während des Tiefziehens mehrfach mittels einer Hohlprägung im Bodenbereich deformiert und anschließend wider reformiert wird. Das durch die Dehnung entstehende Blechvolumen wird in die Zarge umverteilt.

Eine Verfahrensverfeinerung stellt das Kurzhub-Penetrieren dar. Hierbei wird das iterative Hohlprägen in einer Vorstufe ausgeführt. Im Weiteren wird die vorbereitete Platine zum Hohlkörper umgeformt.

Die Verfahrensvorteile lassen sich wie folgt aufzählen:

  • Verfestigung des Ziehteilbodens bis hin zur maximale Dehnungsmöglichkeit des Bleches
  • Höherer Umformgrad erreichbar
  • Einstellbare Eigenschaften durch variable Parameter
  • Signifikante Materialeinsparung
  • Prozessregelung möglich
  • Verbesserung der Formhaltigkeit
  • Steigerung der Prozessstabilität
  • Verringerung der Ausschussquote

Die Prozessumstellung eines bestehenden Prozesses kann in vier Schritten umgesetzt werden:

  1. Durch eine erste Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung lässt sich das Verfahrenspotential abschätzen.
  2. Im Zweiten Schritt werden mittels einer vergleichenden Tiefziehsimulation die Materialeinsparungen und Veränderungen der Formhaltigkeit exakt ermittelt.
  3. Danach folgt die Herstellung einer Versuchsplatine auf einer Versuchspresse. Diese Versuchsplatine wird durch den bestehenden Prozess geführt und die entstehenden Eigenschaften können abgenommen werden.
  4. Im letzten Schritt wird die Prozessumstellung geplant und durchgeführt.

Nachtrag

Auszeichnung im Rahmen der Internationalen Konferenz "Neuere Entwicklungen in der Blechumformung 2008" des IFU Stuttgart.

Wissenschaftspreis IFU 2008
Abbildung 13  Professor Dr.-Ing. Liewald MBA, IFU Stuttgart (links) zusammen mit dem Preisträger

Die Videos zu dem beschriebenen Verfahren finden Sie unter Youtube:

Kurzhubpenetrieren, 1. Zug

Kurzhubpenetrieren, 2. Zug

Fertigzug