Verbesserung der Verfahrensgrenzen beim Kragenziehen durch Überlagerungen von Druckspannungen

Verbesserung der V ~ ~ a ~ r ' ~ r a g e n z ~ e h edurch n won ~ r u c ~ ~ ~ a n n u n g

berlagerungen

D. Schmoeckel ( I ) , S. Schlagau Received on January 18,1988 Summary: The attainable expansion ratio in hole flanging can be improved, by using an additional rigid tool, that produces a compressive stress in the forming zone. This maybe either a flat counterblock working in the direction of the sheet thickness, or a conical punch that works in the radial direction. Experimental tests showed, that it was possible in both cases to achieve higher limit changes of shape in comparison with the conventional hole flanging Keywords: hole flanging; expansion ratio: additional compressive flat counter block: conical punch; experimental tests

stress;

Verfahrensbeschreibung Das Kragenziehen wird dem Zugdruckumformen zugeordnet und ist definiert als das Aufstellen von geschlossenen Randern (Kragen) an ausgeschnittenen Bffnungen mit Stempel und Ziehring (Bild l), wobei die Bffnungen sich sowohl in ebenen Blechen als auch in gewolbten FlBchen befinden konnen [DIN 8584/19711. Die Umformung erfolgt vor allem unter der Wirkung tangentialer Zugspannungen, die am Vorlochrand ihren GroStwert erreichen. Infolge des beim Kragenziehen vorliegenden Spannungszustandes wird der uber der Ziehringoffnung liegende Werkstuckabschnitt um die Radien von Ziehring und Stempel gebogen. Dabei vergroSert sich der Durchmesser des Vorlochs. Diese Aufweitung hat zur Folge, daS die Blechdicke zum Vorlochrand hin kontinuierlich abnimmt. Der gr613te Umformgrad tritt am Vorlochrand in Umfangsrichtung auf.

se, die zur Unbrauchbarkeit des Werkstucks fiihren. Das maximal erreichbare Aufweitverhaltnis (Kragendurchmesser dl/Vorlochdurchmesser do) ist abhlngig vom

Werkstuckwerkstoff, der Blechdicke und der Art der Umformung, vor allem aber von dem von der gewahlten Herstellungsweise abhangigen Zustand der Vorlochwandung. Sowohl die Blechdicke, die Art der Umformung und auch die Vorlochherstellung sind eigentlich aber nur indirekt wirkende Einflusfaktoren, die dadurch gekennzeichnet sind, da% sie den in der Umformzone vorliegenden Spannungszustand mitbestimmen, der die masgebliche EinfluBgroSe im Hinblick auf die erreichbaren Grenzformanderungen darstellt. Will man zu groaeren Grenzaufweitverhaltnissen gelangen, mu% man daher in erster Linie den Spannungszustand am Vorlochrand positiv beeinflussen. Dies ist zum Beispiel moglich, indem man die beim konventionellen Kragenziehen ubliche Werkzeuganordnung um ein starres Werkzeug erweitert, welches eine zusatzliche Druckspannung in axialer Richtung, das heist in Blechdickenrichtung, erzeugt (Bild 2). Weil dieses Werkzeug dem Ziehstempel entgegenwirkt, wird es als axialer Gegenhalter bezeichnet.

Bild 1: Geometrische GroBen beim Kragenziehen

Verfahrensgrenzen Die mit Abstand haufigste Versagensart beim Kragenziehen sind radial vom Kragenrand aus verlaufende AnrisBild 2: Kragenziehen mit axialem Gegenhalter

Annals o f the CIRP Vol. 37/1/1988

27 1

Eine andere Moglichkeit besteht darin, einen kegeligen Gegenstempel zu verwenden, der in radialer Richtung eine Druckspannung aufbaut (Bild 3).

Werkstiick Werkstoff

Blechdicke Vorlochherst. Vorloch-'V do Werkzeug Stempel-h: ds Stempelform

Gegenhalter-Q Gegenhalterform

Ziehring-Q da Radius run Ziehspalt uz Umformbedingungen Kuhlschmierstoff Umformtemperatur Umformgeschw. Umformmaschine

a) A1 99,5w (Wst.-Nr. 3.0255.10) b) RSt 1405 (Wst.-Nr. 1.0338) c) X5 CrNil8 9 (Wst.-Nr. 1.4301) Imm, 2mm, 3mm a) Bohren und Reiben b) Lochen 10 bis 40mm, Stufung: 2mm 58mm, 56mm, 54mm. a) ebene Stirnflache rnit Kantenabrundung, rss = lmm, 3mm. 5mm b) halbkugelig 6Omm axialer Gegenhalter: a) eben b) halbkugelig radialer Gegenhalter: kegelig, 3 c , 45O, 60' , da = 20mm, 30mm, 40mm 6 Omm 4mm uz = so Tiefziehfett Raumtemperatur 5 bis 10mm/sec 2-fachwirkende hydraulische Presse

Bild 3 : Rragenziehen mit radialem Gegenhalter Tabelle 1: Zusammenstellung der Versuchsparameter In beiden Fallen muBte die uberlagerte Druckspannung dazu fuhren, daB die fur das FlieBen des Werkstoffs erforderliche Hauptspannungsdifferenz bereits bei einer kleineren tangentialen Zugspannung als beim konventionellen Verfahren auftritt. Das wurde gleichzeitig bedeuten, daB der zur RiBbildung am Lochrand fuhrende kritische Zugspannungswert erst bei einem groBeren Aufweitverhaltnis erreicht wurde. Ziel der nachfolgend beschriebenen experimentellen Untersuchungen an Feinblechen aus A1 99,5w, R St 1405 und X5 CrNil8 9 war es, zu erforschen in welchem Umfang und unter welchen Bedingungen sich diese theoretischen Betrachtungen in die Praxis umsetzen lassen [Schlagau/l9841.

Einen Teil der erzielten Ergebnisse zeigt Bild 4. Der zwischen den beiden Kurven liegende Bereich wurde neu fur die Anwendung erschlossen. Die zur Verbindung der zusammengehorenden MeDpunkte eingetragenen Kurvenzuge sollen lediglich die Anschaulichkeit der Darstellung verbessern; es handelt sich nicht um mit statistischen Methoden berechnete Streukurven.

t

isr

Versuchsergebnisse mit axialem Gegenhalter Um eine sichere Bezugsebene fur die Untersuchungen mit Gegenhalter zu schaffen, wurden zunachst die beim konventionellen Kragenziehen unter identischen Versuchsbedingungen erreichbaren Grenzaufweitverhaltnisse ermittelt. Als Versagenskriterium galt die sichtbare Bildung von Einschniirungen bzw. Rissen am Kragenrand. AnschlieBend fanden Versuche mit axialem Gegenhalter statt. Die oben beschriebenen Dberlegungen lieBen sich in vollem Umfang in die Praxis umsetzen, denn bei allen untersuchten Parameterkombinationen (Tabelle l) konnten die Verfahrensgrenzen infolge der uberlagerten Druckspannung verbessert werden.

212

Bild 4:

Erreichte Grenzaufweitverhaltnisse ohne rnit axialem Gegenhalter (RSt 1405)

und

Die Verfahrensgrenzen unterliegen beim Kragenziehen rnit axialem Gegenhalter den gleichen EinflufigroI3en wie bei der herkommlichen Methode. Es stellen sich jedoch etwas andere Verhaltnisse ein. In beiden Fallen zeigte sich ein deutlicher EinfluB des Blechwerkstoffs. Unabhangig von der Wahl der Vorgangsparameter wurden die besten Ergebnisse mit RSt 1405 erzielt. DaB mit A1 99,5w nur niedrigere Grenzaufweitverhaltnisse erreicht werden konnten, durfte

vor allem daran liegen, dai3 das Aluminium aufgrund seiner geringen Verfestigungsneigung empfindlicher auf kleine Inhomogenitaten der Vorlochoberflache reagiert Das und somit leichter z u Einschnurungen neigt. schlechtere Abschneiden des austenitischen Stahls ist dagegen mit unerwunschter Martensitbildung wahrend der Umformung z u erklaren. Bei den Kragenziehversuchen mit gelochten Vorlochern machte sich zusatzlich die Kerbempfindlichkeit des X5 CrNil8 9 negativ bemerkbar, so daB er hier sogar schlechter als der Aluminiumwerkstoff abschnitt. Weiter war festzustellen, daB der durch Oberlagern von Druckspannungen erzielbare Anstieg der Grenzformanderungen werkstoffabhangig unterschiedlich stark ausfallt. Tendenziell zeigte sich jedoch die gleiche Abhangigkeit des Grenzaufweitverhaltnisses vom Blechwerkstoff wie beim ublichen Kragenziehen. Die groste Verbesserung des Aufweitverhaltnisses gegenuber dem konventionellen Kragenziehen stellte sich bei Aluminium A1 99,5w rnit 3 Millimeter Ausgangsblechdicke und gelochtem Vorloch bei Verwendung eines Flachbodenstempels mit 5 Millimeter Kantenradius ein. Hier lie8 sich die Verfahrensgrenze um 100 Prozent von dlfdo = 1,69 auf dl/do = 3 , 3 8 steigern. Die Kragenhohe nahm dabei um mehr als 60 Prozent z u (Bild 5).

halterkraften leichter abgequetscht wird. Fur die Obergrenze des Einstellbereichs wurde daher ein Absinken bei kleineren Vorlochdurchmessern festgestellt. Je weiter man also die ursprungliche Verfahrensgrenze uberschreitet, um so kleiner wird der zur Verfugung stehende Gegenhalterkraftbereich bei gleichzeitig steigender erforderlicher Mindestkraft. Dieser Anstieg der Untergrenze des Einstellbereichs mit abnehmendem Vorlochdurchmesser do fallt um so steiler aus, je groBer die Festigkeitskennwerte des verwendeten Blechwerkstoffs sind. aber nicht nur der Anstieg hangt von der Werkstoffestigkeit ab, sondern auch die Hohe der S o waren bei X5 CrNil8 9 groBere Untergrenze. Gegenhalterkrafte erforderlich als be? den beiden anderen Werkstoffen. Da die obere Grenze der einstellbaren Gegenhalterkraft das gleiche Verhalten noch ausgepragter zeigte, nahm die GroBe des Einstellbereiches rnit steigender Werkstoffestigkeit ebenfalls z u . Der EinfluB der Blechdicke auf die kleinste erforderliche Gegenhalterkraft ist nur gering. Tendenziell last sich jedoch ein Absinken der Untergrenze mit zunehmender Dicke feststellen. Da andererseits bei dickeren Blechen auch groBere Maximalkrafte ubertragen werden konnen, steht rnit zunehmender Blechdicke ein groaerer Einstellbereich zur Verfugung.

Versuchsergebnisse rnit radialem Gegenhalter Das absolut gesehen groBte Aufweitverhaltnis wurde unter Gegenhalteranwendung mit 3mm dicken RSt 1405-Proben rnit gebohrtem Vorloch erreicht. In diesem Fall betrug es dl/do = 5,40. Dabei tritt am Kragenrand eine maximale Umfangsdehnung von E t n s a = 440% ( I p t m a x = 1,69) suf.

Rohteil

ohne

mit Gegenh.

do =16

do =32

Bild 5: Erreichte Verbesserung bei A1 99,5w Die erforderlichen Gegenhalterkrafte lagen etwa in derselben GroBenordnung wie die beim konventionellen Kragenziehen gemessenen Maximalziehkrafte. Oftmals war eine Verfahrensverbesserung schon bei einer Gegenhalterkraft von nur 3kN z u erreichen. Dies entsprach dem kleinsten, bei den Versuchen rnit axialem Gegenhalter einstellbaren Wert. Einen deutlichen EinfluB auf die erforderliche Gegenhalterkraft hat der Vorlochdurchmesser do. Je kleiner das Loch, um so grol3er wird der Maximalwert der Tangentialspannung am Vorlochrand. Folglich ist auch eine groBere Druckspannung erforderlich, um unter dem fur die RiBbildung maageblichen kritischen Zugspannungswert z u bleiben. Die Untergrenze des Einstellbereichs fur die Gegenhalterkraft steigt daher rnit abnehmendem Vorlochdurchmesser do. Gleichzeitig nimmt aber auch der Kleinstwert der verbleibenden Wanddicke ab. Dies hat zur Folge, daB der Kragenrand bei hoheren Gegen-

Anders als der axiale wirkt der radiale Gegenhalter direkt auf die fur das erreichbare Aufweitverhaltnis bedeutungsvolle Oberflache des Vorlochrandes. Bei Anwendung des radialen Gegenhalters waren zwei gegenlaufige Effekte in die theoretischen Betrachtungen rnit einzubeziehen. Zum einen bestand die Gefahr, daB groBe Gegenhalterkrafte z u einer Kaltverfestigung des Vorlochbereiches fuhren und sich damit negativ auswirken wurden. Andererseits begrenzt die beim Kragenziehen rnit radialem Gegenhalter ebenfalls vorhandene axiale Komponente der Gegenhalterkraft den Anwendungsbereich, da sie nicht mehr gegen den Ziehstempel abgestutzt werden kann, sondern vom Blech aufgenommen werden mu&. Wurde die erforderliche Gegenhalterkraft zu groB, so wurde sich das Blech entgegen der Bewegungsrichtung des Ziehstempels in dessen Innenraum umbiegen. Der Kegel wirkt dann nicht mehr auf den Vorlochrand, und es ist rnit erneuter RiBbildung z u rechnen, da die Druckspannung nicht mehr an der hochstbeanspruchten Stelle eingeleitet wird. AuBer bei den lmm dicken Blechen aus A1 99,5w konnte auch mit dem radial wirkenden Gegenhalter bei allen Parameterkombinationen eine Verbesserung der erreichbaren Aufweitverhaltnisse im Vergleich zum konventionellen Verfahren erreicht werden. Fur die Proben aus A1 99,5w rnit lmm Blechdicke war selbst die kleinste einstellbare Gegenhalterkraft von 1 kN noch zu groB. Die Bleche bogen sich alle nach innen um. Auch Versuche rnit kleinerem FuBdurchmesser des Kegels zur Verringerung des Hebelarms fuhrten nicht zum Erfolg, weil dann der noch verbleibende Ziehweg, der ohne Druckspannungsuberlagerung zuruckgelegt werden muBte, zu groB war, so daB erneut Risse auftraten. Bei den ubrigen Parameterkombinationen stellten sich nahezu die gleichen Ergebnisse wie beim Kragenziehen rnit axialem Gegenhalter (Flachbodenstempel, rxs= 5mm)

273

ein. So lagen die Grenzaufweitverhaltnisse in den meisten Fallen lediglich um eine Durchmesserstufe schlechter, bei 2 und 3mm dickem RSt 1405 sowie bei 2mm dickem X5 CrNil8 9 wurden dagegen sogar exakt die gleichen Maximalwerte erreicht. Das bedeutet, daB sich die Parameter Werkstuckwerkstoff, Blechdicke und Vorlochherstellung bei den beiden Verfahrensvarianten nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ nahezu in gleicher Weise auf die mogliche Verfahrensverbesserung auswirken. Eine Gegenuberstellung der Grenzaufweitverhaltnisse aller drei untersuchten Verfahrensvarianten zeigt Bild 6 beispielhaft fur R St 1405 rnit gelochtem Vorloch.

z u verschieben.

Durch Anwendung eines Gegenhalters beim ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:

Kragenziehen

- Es besteht ggf. die Moglichkeit, auch mit einem kostengunstigeren Werkstoff, zur RiBbildung fuhren wurde, Kragenhohe zu erreichen.

der normalerweise die erforderliche

- Man kann unter Urnstanden auf eine kleinere AUSgangsblechdicke zuruckgreifen, um zur gewunschten Kragenhohe zu gelangen. -

Aufweitverhaltnisse, und damit Kragenhohen, die sonst nur bei gebohrten Vorlochern zu erreichen sind, konnen auch rnit geschnittenen Vorlochern erzielt werden. Auch bei Aufweitverhaltnissen. die beim konventionellen Kragenziehen nicht zu Rissen fuhren, kann der Gegenhalter sinnvoll eingesetzt werden. Es ergibt sich eine erhohte Fertigungssicherheit, weil der EinfluB einer schlechten Lochoberflache herabgesetzt wird, s o daB sich eine schwankende Qualitat derselben nicht mehr s o stark auswirkt.

Bild 6 : Vergleich der drei Verfahrensvarianten Literatux Die EinfluBgroBen Vorlochdurchmesser, Werkstuckwerkstoff und Vorlochherstellung wirken sich auch auf die Hohe der kleinsten einzustellenden Gegenhalterkraft qualitativ in gleicher Weise aus wie beim Fss . ) i n Kragenziehen mit axialem Gegenhalter. Eine umgekehrte Wirkung zeigt dagegen die Blechdicke. Mit zunehmender Ausgangsdicke des Werkstucks steigt auch die erforderliche Gegenhalterkraft. Insgesamt lagen die erforderlichen Gegenhalterkrafte beim Kragenziehen rnit radialem Gegenhalter noch niedriger als bei Anwendung des axialen. Oftmals war ein Unterdriicken der Einschnurungs- bzw. RiBbildung schon bei dem kleinsten, an der Maschine einstellbaren Wert von 1kN zu erzielen. Auch der Anstieg der minimalen Gegenhalterkraft Fss m i n mit kleiner werdendem Vorlochdurchmesser do fie1 geringer aus. Die Obergrenze des moglichen Einstellbereiches war im Gegensatz zum Kragenziehen mit axialem Gegenhalter nicht durch ein Abquetschen des Kragenrandes, sondern durch ein Umbiegen desselben in den Ziehstempel hinein gegeben; in beiden Fallen war eine erneute RiBbildung die Folge.

SchluBfolgerungen Ziel der vorliegenden Arbeit war es, aufzuzeigen, daB es auch beim Kragenziehen Moglichkeiten gibt, durch eine bewuBte Anderung des Spannungszustandes in Richtung Druckgebiet hohere Grenzformanderungen zu realisieren. Es konnte gezeigt werden, dai5 es dazu nicht erforderlich ist, allseitig einen hohen hydrostatischen Druck rnit Hilfe eines Hydraulikmediums zu Uberlagern, sondern daB die richtige Wahl und Gestaltung der Formgebungswerkzeuge ausreicht, um eine Verfahrensverbesserung zu erzielen. Die Entstehung und Ausbreitung von Einrissen am Kragenrand konnte so unterdruckt werden, s o daB es gelang die Verfahrensgrenzen gegenuber dem konventionellen Kragenziehen nach oben

274

DIN 8584, Blatt 5, 1971, Fertigungsverfahren Zugdruckumformen. Kragenziehen, Begriff. Beuth-Vertrieb GmbH. Berlin und Koln. Schlagau, S . , 1984, Kragenziehen mit Druckspannungsuberlagerung. HGF-Bericht 84/84, IndustrieAnzeiger 106: 28-29 Lange, K., 1975, Lehrbuch der Umformtechn&, Band 3 : Blechumformung, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. Schmoeckel, D., 1985, Kragenziehen. In: Spur, Stoferle, Th., Handbuch der Fertiqunastechnik, Band 2/3: Umformen und Zerteilen, Carl Hanser Verlag, Munchen, Wien.

G.;

Kienzle. 0 ; Dohmen, H.G., 1968, Mechanische Umformtechnik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York Reissner, J.; Rauter, A.; Ulli, A., 1976, Das Grenzaufweitverhaltnis beim Kragenziehen in Feinblechen. Maschinenmarkt Wurzburg, 82: 1919-1920 Wang, N.M.; Wenner, M.L., 1974, An analytical and experimental study of stretchflanging. International Journal of Mechanical Science, 16: 135-143