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Prozesssicherheit beim Biegen von Aluminiumblechen

14.11.2006
von R. Schleich(1), F. Jud(2), M. Sindel(1), M. Liewald(2)
(1) AUDI AG, Neckarsulm, (2) Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik

Ein zentraler Punkt im heutigen Fahrzeugbau stellt die Entwicklung der Fahrzeugkarosserie dar. Sie ist nicht nur der Aggregate- oder Bauteilträger für funktionsgarantierende Komponenten, sondern sie beeinflusst vielmehr in starkem Maße fahrdynamische Eigenschaften, wie Verwindungssteifigkeit, Achslastverteilung oder Packaging.

Aber nicht nur aus diesen Gründen ist ein konsequenter Leichtbau interessant. Gerade in Hinblick darauf, dass Kraftstoffe kostspieliger und Umweltbestimmungen strenger werden, ist der Leichtbau und damit die Minderung des Fahrzeuggewichts von größter Bedeutung. Effizienter Leichtbau erfordert eine konsequente Kombination von Stoff-, Form-, Fertigungs- und Konzeptleichtbau. Hinzukommen ästhetische Anforderungen bezüglich Oberflächen, Fugenmaße und Falzradien im Außenhautbereich, die zusätzliche Probleme mit sich bringen. Die Verwendung von Aluminiumwerkstoffen im Karosseriebau stellt dabei neue Herausforderungen sowohl an den Produktentwickler und –konstrukteur als auch an den Hersteller. Die Betrachtung der Prozesssicherheit des Falzens, das umformtechnisch ein Biegeprozess und daher versagenskritisch nicht über die klassischen Materialkennwerte zu beschreiben ist, erfordert eine gesonderte Untersuchung. Die Gründe hierfür bestehen in dem, im Vergleich zum Tiefziehen, unterschiedlichen Bruchmechanismus und der inhomogenen Spannungsverteilung über die Blechdicke.

Ein aussagekräftiger Materialkennwert, der zudem den Rückschluss auf das Realbauteil ermöglicht, stellt der Biegefaktor, also der Quotient aus Falzinnenradius zur Blechdicke, dar. Dieser lässt sich in Abhängigkeit von der Materialvordehnung, die aus der vorhergegangenen Umformoperation resultiert, im so genannten Biegefaktorverlauf darstellen.

Bisherige Prüfverfahren bezüglich der Falzbarkeit sind bislang im Automobilbereich nicht einheitlich und zudem weitgehend unzureichend. Dementsprechend existieren kaum oder gar keine Qualitätsanforderungen bezüglich der Falzbarkeit von Karosserieblechen. Ein Verfahren, das hierbei wesentliche Verbesserungen schafft, ist der so genannte modifizierte DaimlerChrysler-Test (mDC-Test), bei dem es sich, wie in Abbildung 2 gezeigt, um ein freies Biegen im V-Gesenk handelt. Gegenüber dem konventionellen DC-Test wird hierbei mit Falzstempeln unterschiedlicher Falzradien auf Rollen gelagerte Proben bis zum Eintritt der Grübchenbildung oder kurz vor Eintreten des Risses gefalzt. Durch den Einsatz unterschiedlicher Falzstempelradien können auf diese Weise erstmals im Laborversuch mit dieser Applikation unterschiedliche Biegefaktoren realisiert werden.

Ein Maß für die Falzbarkeit stellt hierbei der bei Abbruch des Tests verbleibende Winkel zwischen den Falzschenkeln dar. Dabei muss zu jedem Zeitpunkt garantiert sein, dass die Untersuchungen geometrisch vergleichbar sind. Das heißt, dass bei Erreichen des maximalen Hubs jede Probe um 180° gefalzt sein muss. Durch diese Vorgehensweise ergeben sich von der Vordehnung abhängige Biegefaktorkorrelationen zwischen dem Biegefaktor und dem Restbiegewinkel. Somit ist an dieser Stelle eine Berücksichtigung der Falzgeometrie in Form der Definition einer Versagensgrenze über den am Realbauteil verwirklichten Falzöffnungswinkel möglich. Ein Tropfenfalz bedingt einen größeren Falzöffnungswinkel als ein Flachfalz. Auf diese Weise können ebenso diverse Parameter, wie z.B. Falzradien, Werkstoffalterung, Vordehnung oder Walzrichtung, hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Falzergebnisses untersucht werden.

Darüber hinaus stellen Abstell- und Falzkanten mit gekrümmter Biegelinie aufgrund der auftretenden tangentialen Druckspannungen bzw. Zugspannungen im Flansch zusätzliche Anforderungen an die Prozessführung. Beim Abkanten um eine konvexe Biegelinie wird das Blech senkrecht zur Biegelinie im Falzbereich gestaucht, da die Bogenlänge Lkonvex1 des gebogenen Bleches kleiner ist als die ursprüngliche Bogenlänge Lkonvex0. Durch diese Verkürzung der Bogenlänge entstehen Druckspannungen in der Blechebenenrichtung, die zu einer Faltenbildung führen.

Wird um eine konkave Biegelinie gebogen, so verlängert sich die ursprüngliche Bogenlänge Lkonkav0 zur Bogenlänge Lkonkav1. In diesem Fall werden durch die Verlängerung Zugspannungen hervorgerufen, dadurch können im Extremfall Risse im Flansch entstehen.

Durch die Abhängigkeit der Bogenlänge von der Breite des Ausgangsflansches steigen bzw. sinken die Druckspannungen bei konvexer und die Zugspannungen bei konkaver Biegelinie mit der Verlängerung bzw. Verkürzung der Flanschbreite. Je größer die Flanschbreite, desto größer ist der Unterschied der Bogenlänge L1 an der Blechaussenkante gegenüber der Bogenlänge L0 an der Biegekante. Die Folgerung daraus ist: Mit zunehmender Flanschbreite steigt die Wahrscheinlichkeit der Faltenbildung bzw. das Risiko der Entstehung von Rissen.

Diese Kenntnisse können in den kompletten Werkzeugentstehungsprozess einfließen und bereits in der Planungsphase Anhaltspunkte über die Realisierbarkeit bestimmter Falzgeometrien liefern. Dies vermindert nachträgliche Nacharbeiten und kann unter Umständen nie robust laufende Falzprozesse verhindern. In Verbindung mit einer genauen Kenntnis der Bauteilgeometrie sind somit sowohl in der Werkzeugerstellung, -übergabe als auch bei der laufenden Qualitätssicherung in der Produktion im Versagensfall Optimierungspotentiale auffindbar. Versagensursachen können gefunden und Maß-nahmenkataloge zur Falzoptimierung erstellt werden.

Auf diese Weise soll in Zukunft ein robusterer Falzprozess möglich und somit die Ausschussraten aufgrund Werkstoffversagen beim Falzen gesenkt werden.

Kontakt: Dipl.-Ing. Ralf Schleich (Ralf.Schleich@audi.de)

Ralf Schleich | Uni Stuttgart
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/ifu
http://www.audi.de

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