Gezielte Eigenspannungseinstellung in der inkrementellen Blechumformung

Abstract

Infolge einer inhomogenen Umformung zur Herstellung von Bauteilen verbleiben Spannungen im Material. Diese Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die zu einer inneren Belastung des Bauteils führen. Das Vorhandensein von Eigenspannungen kann die Leistungsfähigkeit eines Bauteils je nach Ausprägung signifikant steigern oder zu einem früheren Versagen im Belastungsfall führen. Daher ist die Kenntnis des resultierenden Eigenspannungszustands infolge des Fertigungsschritts durch geeignete Prognosemodelle unerlässlich. Eigenspannungen werden für gewöhnlich durch nachgelagerte mechanische Bearbeitungsschritte gezielt in Bauteile eingebracht oder durch thermische Nachbehandlungsprozesse eliminiert. Diese nachgelagerten Prozessschritte zur Eigenspannungseinstellung benötigen zusätzliche Ressourcen. Das flexible Umformverfahren der inkrementellen Blechumformung zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren durch geringe Werkzeugkosten und Prozesskräfte bei gleichzeitig erhöhter Umformbarkeit aus. Durch die unterhalb des Werkzeugs lokalisierte Umformzone bietet die inkrementelle Blechumformung die Möglichkeit, Eigenspannungen lokal definiert in Bauteile einzubringen. Die Flexibilität der inkrementellen Blechumformung ermöglicht die Herstellung geometrisch identischer Bauteile mit unterschiedlichen Prozessparametern, welche die wirkenden Umformmechanismen beeinflussen. Der Zusammenhang von Prozessparametern, Umformmechanismen und den daraus resultierenden Eigenspannungen ist bislang nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein grundlegendes Verständnis über die Eigenspannungsausbildung bei der inkrementellen Blechumformung zu erarbeiten, um Eigenspannungen durch diesen Umformprozess stabil und definiert in Bauteile einzubringen sowie die Verbesserung des Bauteileinsatzverhaltens durch gezielt induzierte Eigenspannungszustände zu quantifizieren. Unter Zuhilfenahme eines numerischen Prozessmodells wird der Einfluss von Zustellinkrement und Werkzeugradius auf die Umformmechanismen und die Eigenspannungsausbildung im Bauteil identifiziert. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Konzepte der Spannungsüberlagerung analysiert und experimentell erprobt, um die Möglichkeiten der Eigenspannungseinstellung während des Umformprozesses zu vergrößern. Eine gezielte Einstellung des Eigenspannungszustands kann genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen unter statischer und zyklischer Last zu steigern. Dies eröffnet Möglichkeiten der Materialeinsparung durch niedrigere Sicherfaktoren bei der Bauteilauslegung, um dem Leichtbaugedanken zur Steigerung der Ressourceneffizienz gerecht zu werden.