Herausforderung durch neue Werkstoffe an

Blechumformprüfmethoden

H. Kroll (V), ERICHSEN GmbH & Co. KG, Hemer

Zusammenfassung

Die Vielfalt der aktuellen Blechumformprüfungen stellt hohe Ansprüche an die Prüf-maschinenhersteller. Die neu entwickelten Werkstoffe zeigen Verformungsmechanismen, die mit Standardwerkzeugen nicht mehr hinreichend geprüft werden können. Die Material-auswahl der Werkzeuge ist zu überdenken, sowie die Wärmebehandlung. Geometrien, soweit nicht von Normen festgelegt, müssen angepasst werden. Schnittspalte und Stanzringgeometrien sind den hochfesten Stahlsorten entsprechend verändert worden. Werkzeugbeschichtungen aus Titan-Nitrid verringern die Reibung, setzen den Werkzeug-verschleiß durch Kaltverschweißungen herab und erhöhen somit die Standzeiten. Mit TiN werden Matrizen für Umformungen mit ferritischen Werkstoffen beschichtet, TopCut wird vorzugsweise bei Aluminium eingesetzt und TiCN bei Stanzwerkzeugen. All diese Maßnahmen helfen den Anwendern bei der Durchführung Ihrer Prüfaufgaben. Stichwörter: Titan-Nitrit, Werkzeugstahl, Sickengeometrie 1 Einleitung Als Hersteller von Blechumformprüfmaschinen lassen wir unsere Erkenntnisse und Erfahrungen immer wieder in unsere Entwicklungen einfließen. Jedoch hat sich das Umformverhalten der neuen Stahllegierungen im Laufe der Jahre gegenüber den klassischen Stahlsorten verändert. Die Prüfverfahren, die für die einphasigen Werkstoffe ausgelegt waren, müssen an die mehrphasigen Verformungsmechanismen angepasst werden. Veränderungen der Werkzeuge und Prüfabläufe sind die Folge. Wir allein sind nicht mehr in der Lage die entsprechenden Entwicklungen durchzuführen. Mit Hilfe aus Forschung und Entwicklung, der Industrie und den Universitäten, ist es möglich die Modifizierungen umzusetzen. Die erworbenen Kenntnisse aus der Simulation können dann auf die Prüfmethoden, den Ablauf der Prüfung und die Geometrien der Werkzeuge angewendet werden. 2 Anwendungsbereiche Blechumformprüfmaschinen werden für Versuche zum Tiefziehen als auch zum Streck-ziehen eingesetzt. Die Einsatzgebiete sind unter anderem in der Warenendkontrolle, um Kenngrößen, wie Tiefungswert nach ERICHSEN, Zipfeligkeit und Ziehverhältnis zu bewerten. Die Wareneingangskontrolle nutzt die Blechumformprüfung um sicherzustellen, dass die Produkte die gewünschten Materialparameter einhalten. Die Forschung und Entwicklung nutzt die Prüfmaschinen um Materialcharakteristika von Werkstoffen aufzunehmen. 3 Napfzugversuch Bei der Durchführung des Napfzugversuches bei hochfesten und höchstfesten Stählen ist es in der Vergangenheit des Öfteren zu Werkzeugdefekten gekommen (Bild 1), die auf einen Beschleunigungseffekt am Ende des Stanzvorganges zurückzuführen waren. Durch eine geänderte Geometrie des Schnittringes (Bild 2) wird die notwendige Stanzkraft herabgesetzt

und die dynamische Beschleunigung des Schnittstempels während des Stanzvorgangs verringert. Der bis vor einigen Jahren eingesetzte Werkzeugstahl 1.2842 ist durch 1.2379 ersetzt worden.

Bild 1 Materialbruch an einem Schnittstempel

Bild 2 Schnittring mit Dachschnitt

Eine Beschichtung der Schnitt-/Stanzwerkzeuge mit TiCN erhöht ihre Standzeit um ein Vielfaches. Der Schnittspalt des Stanzwerkzeuges wird entsprechend der Blechdicke um ca. 2 – 3 % vergrößert. Hochfeste Stähle zeigen im Umformverhalten, dass die Einzugsradien von Ziehmatrizen nicht mehr den Vorgaben von z.B. DC04 Stählen gerecht werden. Größere Radien sind speziell den Werkstoffen mit hohen Festigkeiten und geringerer Duktilität angepasst. Mit Titannitrid beschichtete Ziehmatrizen (Bild 3) haben durch ihre spezielle Oberfläche eine höhere Standzeit. Die Beschädigung durch Kaltverschweißungen ist durch TiN Beschichtung nicht möglich. Die durch die Beschichtung verminderte Reibung zeigt sich an der Höhe der gezogenen Näpfchen. In Bild 4 ist Napf A mit einer herkömmlichen Matrize und Napf B mit einer TiN beschichteten Matrize aus Werkzeugstahl 1.2379 gezogen worden. Die Abstreckung durch Reibung ist deutlich durch die größere Höhe bei Napf A zu erkennen.

Bild 3 Titannitrid beschichtete Ziehmatrizen Bild 4 Unterschiedliche Abstreckung durch

verminderte Reibung 4 Streckziehen Gängige Verfahren zu Werkstoffcharakterisierung sind neben dem einachsigen Zugversuch der Nakajima Versuch, der Marciniak Versuch oder die hydraulische Tiefung (Bulge Test). Um mit Blechumformprüfmaschinen auch hochfeste Stähle klemmen und umformen zu können, werden Blechhalterkräfte und Ziehkräfte von 600 kN, 1000 kN oder mehr benötigt.

Bild 5 Nakajima Werkzeug Bild 6 Klemm-Sicke

In Bild 5 wird ein Werkzeug, bestehend aus Matrize und Blechhalteplatte für den Nakajima Versuch, dargestellt. Die Sickengeometrie (Bild 6) ist für Stahlsorten bis ca. 600 N/mm2

ausgelegt. Die Sicken haben die Aufgabe den Werkstoff so zu klemmen, damit kein Material während der Umformung in die Matrize nachfließen kann. Diese Sickenform ist bei hochfesten bzw. höchstfesten Stahlsorten ungeeignet. Martensitische Stahlsorten, mit einer geringen Duktilität, würden durch eine solche Sicke während des Klemmvorganges geschädigt. Somit ist es notwendig entsprechende Sicken-geometrien zu entwickeln.

Bild 7 Trapez-Sicke Bild 8 Klemmsicke beidseitig

Bild 7 zeigt eine Sickengeometrie mit unterschiedlich steilem Flankenanstieg. Die Sicken in Bild 8 sind eher wie Schneiden aufgebaut. Durch das Anordnen mehrerer Schneiden hinter-einander (Bild 9) wird die Klemmkraft besser verteilt, Beschädigungen gemindert und ein Nachfließen des Werkstoffes unterbunden. Bild 9 zeigt einen Schnitt durch die Blechhalteplatte und die Matrize, wo auf beiden Werkzeugen die „Schneiden“ aufgebracht sind.

Bild 9 Mehrschneidiges Klemmsystem

Zur Bestimmung der Fließkurve bei höheren Umformgraden wir ebenfalls der Bulge Test hinzugezogen. Hierbei muss nicht nur das Nachfließen verhindert werden. Der hydraulische Druck, der die Umformarbeit leistet, darf nicht durch Leckagen beeinflusst werden. Zusätzlich zu den Sicken können noch zusätzliche Dichtungen, O-Ringe, eingebracht werden und ermöglichen ein zusätzliches Abdichten. Wir, als Maschinenhersteller, haben uns zur Aufgabe gemacht, die Herausforderung der neu entwickelten Stahlsorten aufzunehmen und umzusetzen. Wir sind jederzeit der Ansprech-partner für Industrie, Forschung und Entwicklung und geben gern Hilfestellung zur Lösung der Prüfaufgaben. 5 Danksagung Für die Unterstützung bei der Entwicklung von Werkzeugen möchte ich besonderen Dank an die ThyssenKruppStahl AG, die BMW AG, das GKSS Forschungszentrum Geesthacht und das Institut für Eisenhüttenkunde der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen aussprechen.