Lehrst hl für Fertig ngstechnik ndLehrst hl für Fertig ngstechnik ndLehrstuhl für Fertigungstechnik und Lehrstuhl für Fertigungstechnik und WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinenggFolien unter www.mb.uni-siegen.de/fw
IBU Vortragsreihe
Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Bernd EngelIng. Bernd Engel
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens1
Tiefziehen
Philosophie des Lehrstuhles
i h F h d P i t ff… wo sich Forschung und Praxis treffen
EndenbearbeitungModellbildung - Analytik Anstellkraft:
Gleitschiene = stationärFaltenglätter = 100kNGeschwindigkeit 0,05mm/s
TiefziehenSimulation
Anstellkraft:Gleitschiene = 75kNFaltenglätter = stationär
Geschwindigkeit 0,05mm/s
Innenhochdruck -Versuch
P AnalyseIdee
IBU Vortragsreihe
UmformenBiegen
Konzept –Werkzeug/Maschine
PamStamp 2G PamTube2GPam-Tube
Analyse
Umsetzung - Realisierung
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens2
TiefziehenWerkzeug/Maschine
Grundlagen des Tief- und KarosserieziehensGrundlagen des Tief- und Karosserieziehens
IBU Vortragsreihe02 Dezember 200802. Dezember 2008
Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens3
Tiefziehen
Inhalt
Einordnung der Ziehverfahren
Umformmechanismen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Verfahrensgrenzen
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens4
Tiefziehen
Einordnung der Ziehverfahren
Einordnung der Umformverfahren
Schub-UmformenDIN8587
Biege-UmformenDIN8586
Zug-UmformenDIN 8585
Zug-Druck-UmformenDIN 8584
Druck-UmformenDIN 8583
Umform-verfahren
werden nach d i kVerschieben
VerdrehenFreies BiegenGesenkbiegenGleitziehbiegenR llbi
LängenWeiten Tiefen
Walzen
SchmiedenF if
DurchziehenTiefziehenDrückenK i h
den wirksamen Spannungen
eingeteilt
RollbiegenKnickbiegenWalzbiegenSchwenkbiegen
• Freiform• Gesenkform
Durchdrücken
KragenziehenKnickbauchen
SchwenkbiegenRundbiegenUmlaufbiegen
Durchdrücken•Fließpressen•Strangpressen
IBU VortragsreiheKarosserieziehen = Tiefziehen + Streckziehen + Biegen
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens5
TiefziehenKarosserieziehen Tiefziehen Streckziehen Biegen
Einordnung der Ziehverfahren
Tiefziehen
Tiefziehen ist ein Zug- Druck-
Umform-f h
Tiefziehen ist das Zug-Druck-Umformen eines Blech-zuschnitts zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte verfahreneinem 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)
IBU Vortragsreihe
starre Werkzeugenachgiebige Werkzeuge
mit Flüssigkeiten (aktiv/passiv)mit Gasenmit formlosen festen
z.B. Magnetfeld
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens6
TiefziehenStoffen
Umformmechanismen
Tiefziehen im Erstzug
Beim Tiefziehen im Erstzug entsteht aus dem Zuschnitt (Blechplatine) das Ziehteil in einem einzigen Arbeitshub der Presse!Presse!
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens7
Tiefziehen
Umformmechanismen
Tiefziehen im Erstzug
Ziehkraftübertragung über Zarge. Spannung in Zargenrichtung:p g g gσz.
σz darf Reißfestigkeit nicht
FF
züberschreiten !
0sdF
AF
m
zzz ⋅⋅
==π
σ
IBU Vortragsreihe
01 sddm +=
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens8
Tiefziehen
Umformmechanismen
d0
Werkstoffverdrängung beim Tiefziehen
d0
b
b‘
d1h
aa
1
h
nach der Umformungvor der Umformung nach der Umformung
∅d0
g
s0
IBU Vortragsreihe
h∅d1
∅d0 d1
a = zu biegender Werkstoff
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens9
Tiefziehena = zu biegender Werkstoffb = zu verdrängender Werkstoff
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Größen beim Ziehen rotationssymmetrischer Näpfe
Tiefziehen im Erstzug und
SchematischeSchematische Darstellung
des Spannungs-
verlaufs in derverlaufs in der Umformzone
(Flansch-bereich)
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens10
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Beanspruchungsverhältnisse am Blech
d0
σR
d1
IBU Vortragsreihe1
0
dd
urchmesserNapfinnendhmesserRondendurcβ
:tnisZiehverhäl
==
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens11
Tiefziehen1p
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Auslegung Tiefziehprozess
öß
Platine Fertigteil
O f äPlatinengröße Oberfläched0
Stempelgröße KonturzugdStp g gSt
βZiehverhältnis
Grenz-zieh-
IBU Vortragsreihe
Ziehabstufung zieh-verhältnis
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens12
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Auslegung Tiefziehprozess
Auslegungsregeln
Auslegung der Ziehstufen erfolgen nach :g g gZiehrichtung und Umformoperationendem Grenzziehverhältnis
Überlegungen zum Grenzziehverhältnis
Begrenzung durch den Riss:
IBU Vortragsreihe0
maxmaxmax sd
FA
F
m
zzz ⋅⋅
==π
σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz max = Rm
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens13
Tiefziehenσz,max Rms0 - Ausgangswandstärke
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Auslegung Tiefziehprozess
Die Reißkraft wird überschritten wenn gilt:
0,
max,
arg,
max,max. sd
FA
F
Stm
z
eZquer
zz ⋅⋅
==π
σFz,max – maximale Zugkraftσz,max – Reißfestigkeit, Annahme σz,max = Rms Ausgangswandstärke
Für die Reißfestigkeit gilt:
s0 - Ausgangswandstärke
mz R=max.σ
IBU Vortragsreihe
Dabei ist Fz,max die maximale Ziehkraft, die über die Zarge übertragen werden kann.Für dm gilt:
0sdd StStm += wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens14
Tiefziehen0, StStm wobei dSt Stempeldurchmesser und s0 Ausgangswanddicke
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Auslegung Tiefziehprozess
Kräfte beim
Die Ziehkraft wird vom Ziehstempel durch Zugspannungen in der Zarge auf die eigentliche Umformzone im Flansch übertragen:
Kräfte beim Tiefziehen
BRRidges FFFFFNR+++=
Ideelle Umformkraft – Umformkraft unter alleiniger Berücksichtigung des Werkstoffes und der Umformgeometrie
Reibkraft FRN - Reibkraft zwischen Ziehring und NiederhalterReibkraft FRN Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter
Reibkraft FRR - Reibung an der Ziehringrundung
Biegekraft FB - Biegung um die Ziehringrundung
IBU Vortragsreihe
Biegekraft FB Biegung um die Ziehringrundung
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens15
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung Ziehkraft
Damit ergibt sich aus der obigen Beziehung der minimal mögliche Stempel-
Minimaler Stempelradius - Ziehkraft
g g g g pdurchmesser zu:
F 1
m
zm Rs
Fd 1
0
max,min, ⋅
⋅=π
Ziehkraft
IBU Vortragsreihe
BRRidges FFFFFNR+++=
Ideelle Umformkraft FidReibkraft FRNReibkraft FRNBiegekraft FB
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens16
Tiefzieheng B
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung ideelle Umformkraft
tσD
dr
rσrr dσσ +dm
Dm
dα
r
d
tσdα2
tσ
Ihre Bestimmung ergibt sich aus der Gleichgewichtsbetrachtung der Kräfte an einem Volumenelement im Flansch:
IBU Vortragsreihe
0)2
dsin(drs2sdrsd)drr()d( 0t0r0rr =α
⋅⋅⋅σ⋅+⋅α⋅⋅σ−⋅α⋅+⋅σ+σ
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens17
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung ideelle Umformkraft
Setzt man für kleine Winkel und vernachlässigt Produkte von Differentialen, so vereinfacht sich diese DGL zu:
)2
sin()2
( αα dd=
tσ dr
)( trrdrd σσσ +−= rσ
rr dσσ +
dm
Dm
dα
r
Unter Anwendung der Fließregel nach Tresca Mohr
trr rtσ
dα2
tσ
und der Berücksichtigung, dass diese Fließregel 10% geringere Werte liefert:
)undmit(k t3r1ftr σ−=σσ=σ=σ+σ
IBU Vortragsreihe
ftr k1,1=+ σσ
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens18
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung ideelle Umformkraft
Nach Einsetzen der Fließbedingung und Aufintegrieren
⎟⎞
⎜⎛ Rk ln11σ
Dabei ist für k die gemittelte Fließspannungdm
Dm
dα
⎟⎠
⎜⎝
=r
k fmIrr ln1,1)(σ1
Dabei ist für kfmI die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 2 einzusetzen. 2
)kk(1k )kk(2
k 2f1ffmI +=
Die ideelle Umformkraft bestimmt sich dann zu:
Ziehringradius
dm
IBU Vortragsreihe
010 ln1,1 sddmitrRksdF mfmImid +=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= π
d1 s0 rR
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens19
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Berechnung Reibkräfte
Ziehkraft- Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter
Aufgrund des Niederhalterdruckes ergibt sich eine Reibkraft:g g
tσ)(2 rRpdF NmRN −⋅⋅⋅⋅⋅= μπ
rσ rr dσσ +dm
Dm
dα
1
2Reibkraft am Ziehringtσ
2g
μα⋅+= e)FF(F RNid2rR
Fid + FRN
IBU Vortragsreihe
R
F2
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens20
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen
Berechnung Biegekraft
Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamte
Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen.Das Biegemoment lässt sich aus der Spannungsverteilung am Biegebogen bestimmen:
Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamte Querschnitt unter Fleßspannung liegt:
s0
bdzzzMs
b ⋅⋅⋅⋅= ∫20
)(2 σkf
z
bdzzkMkzmit fbf ⋅⋅⋅=→= ∫2
0
2)(σ
s0
kf
z
IBU Vortragsreihe
Die Breite b wird ersetzt durch:
db π=
s0
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens21
Tiefziehenmdb π=
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des
Berechnung Biegekraft
Fid + FRN1
Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des Blechdicke) am Radius rR aufgebaut::
bMF =
Damit ergibt die Biegekraft aus Hin- und Rückbiegung::
rR
F
3R
b rF =
Rückbiegung::
mfmIIb
sdkF
⋅⋅⋅=
2
20π
F2
rr dσσ +
tσ
d
Dm
dα
1
Rb r⋅2
Dabei ist für kfmII die gemittelte Fließspannung zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen 1 und 3
IBU Vortragsreihe
rσ rr
tσ
dm
2
zwischen Punkten 1 und 3 einzusetzen. 1 und 3 sind rR voneinander entfernt
)(21
31 fffmI kkk +=
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens22
Tiefziehen)(
2 31 fffmI
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Ziehkraft nach Siebel
:mit
0,25ddln
ηk1,1sdπF
1
0
F
fm0mmaxZ ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅⋅⋅⋅=
R1,3k0,7η0,5
sdd:mit
mfm
F
01m
⋅≈<<+=
IBU Vortragsreihe
stigkeitAusgangsfeRungFließspannmittlerek
,
m
fm
mfm
==
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens23
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Niederhalterkraft nach Siebel
d0 5 ⎤⎡( )
( )[ ]22ddπA
ApF
Rs100d0,51-β0,0030,002p
22
NNN
m0
13N
⋅=
⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⋅
+⋅= K
( )[ ]
Flä htB f hlAerdruckNiederhaltp
:mit
2r2μd-d4
A
N
2R21
20N
=
++=
IBU Vortragsreihe
FlächegteBeaufschlaAN =
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens24
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Verfahrensgrenzen Versagensarten
Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen
Verfahrensgrenzen, Versagensarten
Reißer (Bodenreißer) Faltenbildung
Einflussgrößen durch:
ZiehwerkstoffSchmierstoff
IBU Vortragsreihe
WerkzeuggeometrieUmformparameter
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens25
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
B d Fl h
Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen
Boden Flansch
Zarge
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens26
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Grenzziehverhältnis
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 )
IBU Vortragsreihe
g p ( )ZiehspaltNiederhalterdruck
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens27
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Ziehverhältnis
Das Ziehverhältnis ist definiert zu: es gilt:
DDPl ti
D
dD
dStempelDPlatine
=−−
=β
ges dD
dEndDAusgangsβ =
−−
=
E tb iD
ZugeinembeidD
1
=
β
βnges
ddEnd
βββββ ,....,321 ⋅⋅=
Weiterzugbeimdbzwd
Erstzugbeimd
i 11
11
−==
=
ββ
β
IBU Vortragsreihe
Weiterzugbeimd
bzwd i
i2
2 . == ββ
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens28
Tiefziehen
Spannungen, Dehnungen, Kräfte
Ziehen im Weiterzug
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens29
Tiefziehen
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
Unregelmäßiges Ziehteil:Unterschiedlichste Formen von Ziehteilen und Formen. Allen Teilen ist gemeinsam dass beim Umformen eine Kombination aus Tiefziehengemeinsam, dass beim Umformen eine Kombination aus Tiefziehen, Streckziehen und Biegen vorhanden ist .
Ziehen unregelmäßig geformter Ziehteile kann nicht mehr mit geschlossenen Formeln abgebildet werden
Tiefziehen
Formeln abgebildet werden.
Berechnungen nur über Si l i ö li h !
Biegen
IBU Vortragsreihe
Simulationsprogramme möglich !g
Streckziehen
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens30
Tiefziehen
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
Beeinflussung des Werkstoffflusses:Nur aus der Kenntnis der örtlichen Verhältnisse kann der Werkstofffluss gesteuert werden.gesteuert werden.
Möglichkeiten über Ziehwülste und Ziehleisten. V id F lt V i d d Rü kf d- Vermeidung von Falten, Vermindern der Rückfederung
IBU Vortragsreihe
Ziehwulst:Am Übergang zum Matrizeneinlauf
Ziehstab:Unterhalb Niederhalterfläche zurück-
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens31
Tiefzieheng g
gesetzt von Matrizeneinlauf
Karosserieziehen
Ziehen unregelmäßiger Teile
IBU VortragsreiheAnordnungen von Ziehwulsten
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens32
Tiefziehen
Streckziehen
Streckziehen
Tiefen
IBU Vortragsreihe
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens33
Tiefziehen
Streckziehen
Streckziehen
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
IBU Vortragsreihe
Klemmung kann das Blech nicht nachfließen. Die Umformung erfolgt durch reine Zugbeanspruchungunter Abnahme der Blechdicke.
Grundlage des Tief- und Karosserieziehens34
Tiefziehen