Grundlagen des Tief- und Karosserieziehens · 2016. 9. 10. · Ziehwulst: Am Übergang zum...
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens1
DGM SeminarTiefziehen
DGM Fortbildungsseminar15./16. November 2006
Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel
Grundlagen des Tief- und Karosserieziehens
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens2
DGM SeminarTiefziehen
Inhalt
Einordnung der Ziehverfahren
Umformmechanismen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Verfahrensgrenzen
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens3
DGM SeminarTiefziehen
Einordnung der Ziehverfahren
Verschieben Verdrehen
Freies BiegenGesenkbiegenGleitziehbiegenRollbiegenKnickbiegenWalzbiegenSchwenkbiegenRundbiegenUmlaufbiegen
LängenWeiten Tiefen
Walzen
Schmieden• Freiform• Gesenkform
Durchdrücken•Fließpressen•Strangpressen
Schub-UmformenDIN8587
Biege-UmformenDIN8586
Zug-UmformenDIN 8585
Zug-Druck-UmformenDIN 8584
Druck-UmformenDIN 8583
Einordnung der Umformverfahren
DurchziehenTiefziehenDrückenKragenziehenKnickbauchen
Karosserieziehen = Tiefziehen + Streckziehen + Biegen
Umform-verfahren
werden nach den wirksamen Spannungen
eingeteilt
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens4
DGM SeminarTiefziehen
Tiefziehen
Tiefziehen ist ein Zug- Druck-
Umform-verfahren
Tiefziehen ist das Zug-Druck-Umformen eines Blech-zuschnitts zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke.
Tiefziehen(deep drawing)
Tiefziehen mitWerkzeugen
(deep drawing with dies)
Tiefziehen mit Wirkmedien(deep drawing
with working media)
Tiefziehen mit Wirkenergie(deep drawing
with activated energy)
starre Werkzeugenachgiebige Werkzeuge
mit Flüssigkeiten (aktiv/passiv)mit Gasenmit formlosen festenStoffen
z.B. Magnetfeld
Einordnung der Ziehverfahren
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens5
DGM SeminarTiefziehen
Beim Tiefziehen im Erstzug entsteht aus dem Zuschnitt (Blechplatine) das Ziehteil in einem einzigen Arbeitshub der Presse!
Tiefziehen im Erstzug
Umformmechanismen
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens6
DGM SeminarTiefziehen
01
0
sdd
sdF
AF
m
m
zzz
+=
⋅⋅==
πσ
Umformmechanismen
Tiefziehen im Erstzug
Ziehkraftübertragung über Zarge. Spannung in Zargenrichtung:σz.
σz darf Reißfestigkeit nicht überschreiten !
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens7
DGM SeminarTiefziehen
d0
d1
h
h∅d1
nach der Umformung
∅d0
vor der Umformung
s0
d1
ha
b
b‘
a
a = zu biegender Werkstoffb = zu verdrängender Werkstoff
Werkstoffverdrängung beim Tiefziehen
Umformmechanismen
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens8
DGM SeminarTiefziehen
Tiefziehen im Erstzug und
Schematische Darstellung
des Spannungs-
verlaufs in der Umformzone
(Flansch-bereich)
Größen beim Ziehen rotationssymmetrischer Näpfe
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens9
DGM SeminarTiefziehen
1
0
dd
urchmesserNapfinnendhmesserRondendurcβ
:tnisZiehverhäl
==
d0
Beanspruchungsverhältnisse am Blech
d1
σR
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens10
DGM SeminarTiefziehen
Platinengröße
Platine Fertigteil
Oberfläched0
Stempelgröße KonturzugdSt
βZiehverhältnis
Ziehabstufung
Grenz-zieh-
verhältnis
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Auslegung Tiefziehprozess
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens11
DGM SeminarTiefziehen
Auslegungsregeln
Auslegung der Ziehstufen erfolgen nach :Ziehrichtung und Umformoperationendem Grenzziehverhältnis
Überlegungen zum Grenzziehverhältnis
Begrenzung durch den Riss:
0
maxmaxmax sd
FA
F
m
zzz ⋅⋅
==π
σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms0 - Ausgangswandstärke
Auslegung Tiefziehprozess
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens12
DGM SeminarTiefziehen
Die Reißkraft wird überschritten wenn gilt:
0,
max,
arg,
max,max. sd
FA
F
Stm
z
eZquer
zz ⋅⋅
==π
σ
Für die Reißfestigkeit gilt:
mz R=max.σ
Dabei ist Fz,max die maximale Ziehkraft, die über die Zarge übertragen werden kann.Für dm gilt:
0, sdd StStm += wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke
Fz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms0 - Ausgangswandstärke
Auslegung Tiefziehprozess
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens13
DGM SeminarTiefziehen
Kräfte beim Tiefziehen
Die Ziehkraft wird vom Ziehstempel durch Zugspannungen in der Zarge auf die eigentliche Umformzone im Flansch übertragen:
BRRidges FFFFFNR+++=
Ideelle Umformkraft – Umformkraft unter alleiniger Berücksichtigung des Werkstoffes und der Umformgeometrie
Reibkraft FRN - Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter
Reibkraft FRR - Reibung an der Ziehringrundung
Biegekraft FB - Biegung um die Ziehringrundung
Auslegung Tiefziehprozess
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens14
DGM SeminarTiefziehen
Damit ergibt sich aus der obigen Beziehung der minimal mögliche Stempel-durchmesser zu:
m
zm Rs
Fd 1
0
max,min, ⋅
⋅=π
Minimaler Stempelradius - Ziehkraft
Ziehkraft
BRRidges FFFFFNR+++=
Ideelle Umformkraft FidReibkraft FRNReibkraft FRNBiegekraft FB
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung Ziehkraft
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens15
DGM SeminarTiefziehen
Ihre Bestimmung ergibt sich aus der Gleichgewichtsbetrachtung der Kräfte an einem Volumenelement im Flansch:
0)2
dsin(drs2sdrsd)drr()d( 0t0r0rr =α
⋅⋅⋅σ⋅+⋅α⋅⋅σ−⋅α⋅+⋅σ+σ
rσrr dσσ +
tσ
tσ
dm
Dm
dα
r
dr
dα2
tσ
Berechnung ideelle Umformkraft
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens16
DGM SeminarTiefziehen
Unter Anwendung der Fließregel nach Tresca Mohr
und der Berücksichtigung, dass diese Fließregel 10% geringere Werte liefert:
Setzt man für kleine Winkel und vernachlässigt Produkte von Differentialen, so vereinfacht sich diese DGL zu:
)2
sin()2
( αα dd=
)( trr rdrd σσσ +−=
)undmit(k t3r1ftr σ−=σσ=σ=σ+σ
ftr k1,1=+ σσ
rσ
rr dσσ +
tσ
tσ
dm
Dm
dα
r
dr
dα2
tσ
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung ideelle Umformkraft
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens17
DGM SeminarTiefziehen
Dabei ist für kfmI die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 2 einzusetzen.
Nach Einsetzen der Fließbedingung und Aufintegrieren
dm
Dm
dα
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
rRk fmIrr ln1,1)(σ
1
2
)kk(21k 2f1ffmI +=
Die ideelle Umformkraft bestimmt sich dann zu:
010 ln1,1 sddmitrRksdF mfmImid +=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= π
Ziehringradius
d1 s0
dm
rR
Berechnung ideelle Umformkraft
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens18
DGM SeminarTiefziehen
Ziehkraft- Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter
Aufgrund des Niederhalterdruckes ergibt sich eine Reibkraft:
rσ rr dσσ +
tσ
tσ
dm
Dm
dα
1
2
)(2 rRpdF NmRN −⋅⋅⋅⋅⋅= μπ
Reibkraft am Ziehring
μα⋅+= e)FF(F RNid2rR
Fid + FRN
F2
Berechnung Reibkräfte
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens19
DGM SeminarTiefziehen
Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamteQuerschnitt unter Fleßspannung liegt:
s0
bdzzkMkzmit
bdzzzMs
fbf
b
⋅⋅⋅=→=
⋅⋅⋅⋅=
∫
∫2
0
0
2)(
)(2
σ
σkf
Die Breite b wird ersetzt durch:
mdb π=
z
s0
kf
z
Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen.Das Biegemoment lässt sich aus der Spannungsverteilung am Biegebogen bestimmen:
Berechnung Biegekraft
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens20
DGM SeminarTiefziehen
Damit ergibt die Biegekraft aus Hin- und Rückbiegung::
rσ rr dσσ +
tσ
tσ
dm
Dm
dα
1
2
R
mfmIIb r
sdkF
⋅
⋅⋅⋅=
2
20π
Dabei ist für kfmII die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen. 1 und 3 sind rR voneinander entfernt
)(21
31 fffmI kkk +=
3
rR
Fid + FRN
F2
1
3
Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des Blechdicke) am Radius rR aufgebaut::
R
bb r
MF =
Berechnung Biegekraft
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens21
DGM SeminarTiefziehen
Ziehkraft nach Siebel
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
stigkeitAusgangsfeRungFließspannmittlerek
R1,3k0,7η0,5
sdd:mit
0,25ddln
ηk1,1sdπF
m
fm
mfm
F
01m
1
0
F
fm0mmaxZ
==
⋅≈<<
+=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅⋅⋅⋅=
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens22
DGM SeminarTiefziehen
( )
( )[ ]
Fläche gteBeaufschlaAerdruckNiederhaltp
:mit
2r2μd-d4πA
ApF
Rs100d0,51-β0,0030,002p
N
N
2R21
20N
NNN
m0
13N
==
++=
⋅=
⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⋅
+⋅= K
Niederhalterkraft nach Siebel
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens23
DGM SeminarTiefziehen
Verfahrensgrenzen, Versagensarten
Reißer (Bodenreißer) Faltenbildung
Einflussgrößen durch:
ZiehwerkstoffSchmierstoffWerkzeuggeometrieUmformparameter
Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens24
DGM SeminarTiefziehen
Gutteilbereich Grenzziehverhältnis
Bodenreißer
Faltenbildung
Nie
derh
alte
rkra
ft
β0maxZiehverhältnis β0
Boden
Zarge
Flansch
Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens25
DGM SeminarTiefziehen
Das Grenzziehverhältnis stellt den Wert dar, bis zu dem die erforderliche Ziehkraft übertragen werden kann.
Bei Überschreiten des Grenzziehverältnisses tritt der Versagensfall Bodenreißer ein.
Das Grenzziehverhältnis ist abhängig von:
Gleichmaßdehnung und Anisotropiebezogenen Stempeldurchmesser ( auf Blechdicke )ZiehspaltNiederhalterdruck
Grenzziehverhältnis
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens26
DGM SeminarTiefziehen
Das Ziehverhältnis ist definiert zu: es gilt:
Weiterzugbeimd
dbzwdd
ErstzugbeimdD
ZugeinembeidD
dD
dStempelDPlatine
i
ii
1
2
12
11
1
. −==
=
=
=−−
=
ββ
β
β
β
Ziehverhältnis
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
nges
ges dD
dEndDAusgangs
βββββ
β
,....,321 ⋅⋅=
=−−
=
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens27
DGM SeminarTiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Ziehen im Weiterzug
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens28
DGM SeminarTiefziehen
Unregelmäßiges Ziehteil:Unterschiedlichste Formen von Ziehteilen und Formen. Allen Teilen ist gemeinsam, dass beim Umformen eine Kombination aus Tiefziehen, Streckziehen und Biegen vorhanden ist .
Ziehen unregelmäßig geformter Ziehteile kann nicht mehr mit geschlossenen Formeln abgebildet werden.
Berechnungen nur über Simulationsprogramme möglich !
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
Tiefziehen
Biegen
Streckziehen
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens29
DGM SeminarTiefziehen
Beeinflussung des Werkstoffflusses:Nur aus der Kenntnis der örtlichen Verhältnisse kann der Werkstofffluss gesteuert werden.
Möglichkeiten über Ziehwülste und Ziehleisten. - Vermeidung von Falten, Vermindern der Rückfederung
Ziehwulst:Am Übergang zum Matrizeneinlauf
Ziehstab:Unterhalb Niederhalterfläche zurück-gesetzt von Matrizeneinlauf
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens30
DGM SeminarTiefziehen
Anordnungen von Ziehwulsten
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
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Grundlage des Tief- und Karosserieziehens31
DGM SeminarTiefziehen
Tiefen
Streckziehen
Streckziehen
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens32
DGM SeminarTiefziehen
Streckziehen ist das Tiefen eines Blechzuschnittes mit einem starren Stempel, wobei das Werkstück am Rand fest eingespannt ist. Aufgrund der Klemmung kann das Blech nicht nachfließen. Die Umformung erfolgt durch reine Zugbeanspruchungunter Abnahme der Blechdicke.
Streckziehen
Streckziehen