Seit einigen Jahren werden bei der Herstellung von Karosserieteilen in der Automobilindustrie zunehmend moderne Materialien wie hochfeste Stähle und Aluminium eingesetzt. Bauteile aus diesen Materialien neigen stärker zur Rückfederung als solche aus konventionellen Stählen. Durch diese Entwicklung sind die Rückfederung und Rückfederungskompensation zu großen Herausforderungen in der Automobilindustrie geworden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bedarf es einer hochgenauen Simulation der Rückfederung. Diese wiederum hängt ganz wesentlich von der Auslegung des Umformprozesses ab.
Beispielhaft wird nachfolgend das Rückfederungsverhalten eines A-Säulen-Verstärkungsteils analysiert. Es wurde ein 3-stufiger Prozess gewählt. Der Großteil der Bauteilgeometrie wird während der ersten Operation, dem Tiefziehen, geformt. Nach der zweiten Operation, dem Beschneiden und Lochen, befindet sich das Bauteil nahezu in seiner endgültigen Form. In der letzten Operation wird der kleine Flansch an der Unterseite des Bauteils hochgestellt. Abbildung 1 zeigt das Blechteil nach jedem dieser Arbeitsschritte. Von links nach rechts dargestellt: die Platine, das Bauteil nach dem Tiefziehen, das Bauteil nach dem Beschneiden und Lochen sowie das finale Bauteil nach dem Abkanten.
Der in Abbildung 1 beschriebene Prozess kann mit zwei unterschiedlichen Setups simuliert werden: A und B. Beide Setups werden nachfolgend im Detail beschrieben. Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Rückfederungssimulation auf Grundlage dieser unterschiedlichen Setups. Nach einer Simulation der freien Rückfederung werden die Verschiebungen in Normalrichtung dargestellt. Die Werte beider Simulationen sind offensichtlich unterschiedlich. Im Folgenden widmen wir uns der Frage, warum das so ist.
Eine genaue Simulation des gesamten Umformprozesses umfasst das Ziehen, die Folgeoperationen und die Rückfederung. Die Ausgangslage der Werkzeuge ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Ziehoperation besteht aus einem einfach wirkenden Tiefziehvorgang mit doppelt gekrümmtem Blechhalter. Der Materialfluss wird durch eine segmentierte Ziehsicke mit variierender Geometrie gesteuert. Die Ziehoperation ist für beide Setups identisch. Die Folgeoperationen werden jedoch unterschiedlich simuliert.
Die vier Bilder in Abbildung 4 stellen Tiefziehen, Beschneiden, Abkanten und Rückfederung dar. Nachdem das Tiefziehen wie oben beschrieben durchgeführt wurde, werden alle Beschnittlinien auf dem Bauteil festgelegt. Während der Simulation werden die Finiten Elemente innerhalb der Beschnittlinien einfach gelöscht. Dies ist ein übliches Vorgehen in der Umformsimulation. Zur Simulation des Abkantvorgangs wird das Bauteil eingespannt, um eine unerwünschte Biegeverformung zu vermeiden. Der flache, obere Bereich wird mit einem flachen Werkzeug gehalten. Am Ende des Prozesses wird das Bauteil von allen Werkzeugen und Spannbedingungen befreit und eine freie Rückfederung wird simuliert.
Das Simulationssetup in Abbildung 5 entspricht dem Prozess in einem Presswerk. Die fünf Bilder stellen Tiefziehen, segmentiertes Beschneiden T30, segmentiertes Beschneiden T40, Abkanten und Rückfederung dar. Diese hochgenaue Darstellung des gesamten Prozesses wird als ‘Full Cycle Simulation‘ bezeichnet. Dieser Prozess teilt den Beschneidevorgang in zwei Operationen auf. In der Praxis muss das Beschneiden segmentiert werden, um eine Entsorgung des Flanschbeschnitts durchführen zu können. Würde der gesamte Flansch in einem Schritt beschnitten, so wäre es in einem automatisierten Fertigungsablauf nicht möglich, den Beschnitt zu entsorgen. Der Beschneiden und Lochen erfordert eine hohe Presskraft. Das Bauteil muss daher fest eingespannt werden, um eine unerwünschte Verschiebung oder Verformung zu verhindern. Das zweite und dritte Bild in Abbildung 5 stellen dar, wie Niederhalter und Aufnahme der Teilegeometrie folgen. Während des Abkantvorgangs wird das Bauteil ebenfalls vollständig eingespannt, um eine unerwünschte Verschiebung oder Verformung zu verhindern. Im letzten Schritt der Simulation werden alle Werkzeuge und Einspannungen gelöst und es wird die freie Rückfederung ermittelt.
Die Ergebnisse der Rückfederung in Abbildung 2 zeigen Unterschiede, abhängig von dem verwendeten Simulationssetup. Der wesentliche Unterschied zwischen Setup A und B ist die Werkzeugkinematik der Folgeoperationen. Eine mögliche Ursache für unterschiedliche Ergebnisse kann eine plastische Verformung während des Schließens des Werkzeugs in den Beschneideoperationen T30 und T40 sein. Um festzustellen, ob eine plastische Verformung während des Schließens des Werkzeugs auftritt, wird die plastische Dehnrate analysiert. Abbildung 6 zeigt die plastische Dehnrate während des Schließens des Niederhalters in T30. Die plastische Dehnrate wird nicht nur in der Mitte des Blechs analysiert, sondern auch in den oberen und unteren Schichten. Das mittlere Bild, das die mittlere Schicht darstellt, zeigt eine kaum wahrnehmbare plastische Dehnrate, während die oberen und unteren Schichten an den Radien eine relevante plastische Dehnrateaufweisen. Diese plastische Verformung deutet darauf hin, dass eine Biegeverformung an den Radien erfolgt. Im Allgemeinen führen elasto-plastische Biegeverformungen zu erkennbaren Geometrieabweichungen aufgrund von Rückfederung. Diese durch eine leichte Biegeverformung während des Schließens des Blechhalters hervorgerufene Rückfederung tritt nur in Setup B auf. In Setup A wird das Schließen des Werkzeugs bei den Folgeoperationen nicht simuliert. Die Auswirkung auf die Rückfederung wird daher im Simulationsergebnis nicht dargestellt.
Um die Rückfederung möglichst genau zu simulieren, müssen die tatsächlichen Prozessbedingungen berücksichtigt werden. Der tatsächliche Herstellprozess muss möglichst genau im Simulationssetup abgebildet werden. Die Genauigkeit der Rückfederungsergebnisse ist von einer realitätsnahen Abbildung des Prozesses abhängig und kann bei unterschiedlichen Prozessbeschreibungen erhebliche Abweichungen aufweisen.