Praxisnahe Versagensbeschreibung bei der Umformung von Feinblechen

Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Anwendung und Bewertung von bereits vorhandenen Modellen zur Beschreibung der duktilen Deformation und der duktilen Schädigung in der Blechumformung. Eine umfangreiche experimentelle Charakterisierung der Materialeigenschaften der Aluminiumwerkstoffe Ac-170PX und Al99Mg1 sowie der Stahlwerkstoffe HC340LAD und HC450X stellt die Basis für die Bewertung dar. Dabei wurden Zugversuche in 0 °, 45 ° und 90 ° zur Walzrichtung, hydraulische Tiefungsversuche mit runden und elliptischen Matrizen, sowie Nakajima-Versuche durchgeführt. Auf Basis der gewonnenen Daten wurde anschließend die Plastizität mit Hilfe der Fließhypothese Yld2000-2d nach Barlat [1] und einer Fließkurve zur Beschreibung des Verfestigungsverhaltens modelliert. Zur Ermittlung der Fließkurve wurden Daten aus den Zugversuchen mit denen der hydraulischen Tiefungsversuche kombiniert, um eine Vergleichsspannungsfließkurve zu erhalten, die in der Lage ist, das Verfestigungsverhalten der eingesetzten Werkstoffe bis hin zu hohen Umformgraden abzubilden. Das Plastizitätsmodell wurde schließlich anhand der Spannungs-Dehnungs, bzw. der Kraft-Weg-Kurven der Zugversuche und der runden und elliptischen Tiefungsversuche erfolgreich validiert. Zur Beschreibung des Schädigungseintritts wurde das mikromechanisch motivierte Schädigunsmodell nach Gurson-Tveergard-Needleman (GTN) dem in der Praxis etablierten Schädigungskriterium des Grenzformänderungsdiagramms (GFD) gegenübergestellt. Hierzu wurden zunächst Modelle für beide Fälle auf Basis der experimentellen Daten erstellt und in die kommerzielle Simulationssoftware Abaqus 6.11 des Unternehmens Dassault Systems [2] mit Hilfe einer eigens entwickelten Subroutine eingebunden. Beide Modelle wurden nachfolgend einem bewertenden Vergleich unterzogen, der anhand zweier Referenzprozesse durchgeführt worden ist. Hierfür wurden zum einen der Nakajima- Versuch und zum anderen der Napfzugversuch ausgewählt. Insbesondere der Napfzugversuch erlaubt durch den Einsatz verschiedener Stempelgeometrien die Überprüfung der Schädigungsmodelle unter komplexen und gleichzeitig praxisnahen Spannungs- und Formänderungszuständen. Für diesen Zweck wurde eigens ein entsprechendes Werkzeug konstruiert und aufgebaut, an dem die erforderlichen Versuche erfolgreich durchgeführt werden konnten. Zur Ausführung des bewertenden Vergleichs wurden die Vorhersagen der Schädigungsmodelle der simulierten Versuche mit denen der realen Experimente verglichen. Die daraus resultierenden Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die möglichst genaue Abbildung der Elastoplastizität ist, unabhängig von der Wahl des Schädigungsmodells, von entscheidender Bedeutung für die Präzision der Schädigungsvorhersage. Das Grenzformänderungsdiagramm war für alle untersuchten Werkstoffe in der Lage den Eintritt der lokalen Einschnürung mit einem Fehler von < 15 % bezogen auf die Hauptumformgrade vorherzusagen. Durch das GTN-Modell war es, im Gegensatz zum GFD, möglich den Verlauf des Einschnürverhaltens abzubilden. Der Zugewinn an Genauigkeit für die Schädigungsvorhersage ist jedoch bezogen auf den Aufwand der Modellerstellung unverhältnismäßig. Das GTN-Modell kann daher in der in diesem Projekt untersuchten Variante derzeit nicht für den praxisnahen Einsatz empfohlen werden. Insgesamt kann damit festgehalten werden, dass durch den bewertenden Vergleich der beiden Schädigungsmodelle der Erkenntnisstand über deren Einsatz erweitert und Klarheit über einen möglichst zweckmäßigen Einsatz der Modelle gewonnen werden konnte.