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Prozessüberwachung beim Kragenziehen hochfester Blechwerkstoffe

 
: Behrens, B.-A.; Gaebel, C.M.; Hanke, R.; Wolter, B.

Hannover: EFB, 2015, 150 S.
EFB-Forschungsbericht, 413
ISBN: 978-3-86776-459-9
Deutsch
Buch
Fraunhofer IZFP ()

Abstract
Beim Kragenziehen handelt es sich um ein Zugdruckumformverfahren, welches dazu dient, einen geschlossenen Bauteilrand, oftmals ein kreisrundes Loch in einem Blech bzw. Blechbauteil, aufzustellen. Beim Kragenziehen werden heute, bedingt durch die Trends des Karosserieleichtbaus, vermehrt hochfeste Stahlwerkstoffe mit einem gegenüber weichen Tiefziehgüten herabgesetzten Formänderungsvermögen eingesetzt.

Dies steht der konstruktiven Forderung nach möglichst hohen Kragenhöhen entgegen. Bei vielen Anwendungen werden Kragenformen erzeugt, die eine Aufweitung nahe des maximalen Aufweitvermögens des Blechwerkstoffs zur Folge haben.

Nachteilige Einflüsse auf die Werkstoffduktilität durch Chargenschwankungen und weitere Prozessschwankungen im Verarbeitungsablauf der Bauteile können sich stark negativ auswirken bzw. zu unerwünschten, unregelmäßig auftretenden Rissbildungen beim Kragenziehvorgang führen. Abhängig von der Rissart und -größe sowie weiterer Umstände im Produktionsumfeld sind visuelle Kontrolle durch das Personal am Auslaufband nur begrenzt möglich. Werden rissbehaftete Bauteile nicht frühzeitig in der Prozesskette identifiziert und aussortiert, erfolgt deren Montage im Rohbau oder gar die Auslieferung der entsprechenden Baugruppe an den Kunden.

Das Ziel dieses Vorhabens bestand folglich in der Entwicklung und Validierung von zerstörungsfreien Prüfverfahren, welche die automatische Detektion von Rissen beim Kragenziehen bzw. bei Bauteilen mit Kragen ermöglichen. In Frage kommende Prüfverfahren wurden für diesen Anwendungsfall auf ihre Eignung hin bewertet. Hierbei wurden zerstörungsfreien Post-Process-Verfahren und eine In-Process-Methodik eingesetzt. Neben Induktionsthermographie, Wirbelstromanalysen und elektromagnetischem Ultraschall wurden auch Schallemissionsanalysen durchgeführt.

Als Untersuchungsgegenstand wurden Laborproben mit Kragen aus höherfesten Stahlwerkstoffen und einer Aluminiumgüte herangezogen. Proben mit einem breiten Spektrum an Rissen, sowohl natürlichen als auch künstlichen Ursprungs, dienten zur Validierung der Prüfverfahren. Dies schloss auch Bauteile aus Serienprozessen mit ein.

Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen wurden zwei Prüfkonzepte im Hinblick auf den prozessbegleitenden bzw. -integrierten Einsatz zur Rissdetektion beim Kragenziehen erstellt. Ein erstes Konzept basiert auf einem EMUS-Prüfsystem, dessen sensorische Komponenten auch in den Bauraum der Transferpresse integriert werden könnte. Im einfacheren Fall würde die EMUS-Prüfung als eigener Prüfschritt am Ende der Fertigungskette in der Transferpresse implementiert werden. Prinzipiell ist auch die Integration der EMUS-Sensorik direkt in das Kragenziehwerkzeug denkbar. In jedem Fall muss die Sensorik an die Kragengeometrie (Durchmesser und Höhe) angepasst sein. An die mit EMUS prüfbare Kragengeometrie werden bestimmte Anforderungen gestellt.

Beim zweiten Prüfkonzept, das auf einem Prüfsystem der Induktions-Thermografie basiert, ist dies nicht der Fall, d.h. beliebige Kragengeometrien können geprüft werden, solange sie optisch zugänglich sind. Der erforderliche Platzbedarf für die Montage eines solchen Prüfsystems ist deutlich höher als bei EMUS. Für die Integration in die Transferpresse oder gar in das Werkzeug ist dieses Prüfkonzept daher ungeeignet. Für eine kontinuierliche Inline-Prüfung kann das Thermografie-Prüfsystem am Förderband installiert werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Prozessüberwachung beim Kragenziehen hochfester Blechwerkstoffe“ wurde unter der Fördernummer AiF 17532N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 413 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

 

Collar forming is a tractive compressive forming technique to turn up a closed component border, often a circular hole in a sheet metal or sheet metal component. Today, high-strength steel materials with a reduced deformation capability compared to a smoother deep drawing grade are used increasingly in collar forming due to developments in lightweight body production.

This is at the expense of the constructive claim for preferably high collar heights. In many applications collar shapes requiring an expansion close to the maximum expansion possibility of the sheet metal component are produced. Negative influences on material ductility caused by batch deviations and further process deviations while handling the components can cause undesirable and irregularly appearing cracking during the collar forming process. Visual supervision by the staff at the outfeed conveyor is a limited possibility depending on the cracking type and size and further circumstances in the processing environment. If crack-containing components are not identified and sorted out early in the process chain, they can be joined to the shell or even be delivered to the customer in the corresponding assembly.

The project's objective was to develop and validate a non-destructive test method to detect cracks in collar forming respectively components containing a collar automatically. The suitability of the considered test methods has been evaluated in terms of this application. Non-destructive post-process methods and an in-process method were used. Besides inductive thermal imaging, eddy current testing and electromagnetic ultrasound, noise emission analysis has been performed.

Laboratory samples containing a collar of high-strength steel materials and an aluminium alloy have been consulted as objects of investigation. Samples with a wide range of both natural and artificial cracks were used to validate the test methods. Parts from serial processes have also been included.

Two test concepts based on the investigations realized were created with regards to the process accompanying and integrated application of crack detection.

The first concept uses an EMUS test system whose sensory components can be integrated into the transfer press' space. In the simple case, the EMUS test can be integrated into the transfer press as an own test step at the end of the process chain. The integration of the EMUS sensors directly to the collar forming tool is basically possible. In every case the sensors have to be tailored to the height and diameter of the collar geometry. The collar geometry testable with EMUS brings specific requirements.

In the second test concept based on inductive thermal imaging any collar geometry can be tested if optically accessible. The necessary demand of space for mounting such a test system is significantly higher than with EMUS. Therefore this test concept cannot be integrated into the transfer press or even into the tool. The thermal imaging test system can be installed at the conveyor as a continuous inline test method.
The objective of the project was achieved.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-435840.html