Tiefziehprüfsystem für die Umformung

Technik/Umformen

Für Tiefziehversuche bietet Zwick Roell eine Tiefziehprüfeinrichtung an, die in eine elektromechanische Materialprüfmaschine integriert wird. Das kombinierte Prüfsystem wird bereits bei Voestalpine in Linz eingesetzt.

02. Oktober 2018
Materialprüfmaschine von Zwick Roell mit Tiefziehprüfeinrichtung für die Blechumformung. Bild: Zwick
Bild 1: Tiefziehprüfsystem für die Umformung (Materialprüfmaschine von Zwick Roell mit Tiefziehprüfeinrichtung für die Blechumformung. Bild: Zwick )

Die Lieferanten für den Karosserierohbau stehen unter dem stetigen Druck der Automobilhersteller, die Produktionseffizienz zu steigern, Kosten zu senken sowie Qualität und Präzision der gefertigten Teile zu optimieren. Hinzu kommt der immer größer werdende Bedarf der Industrie nach Materialien mit erhöhter Zugfestigkeit und größerem Dehnungsvermögen.

Das stellt auch die Qualitätssicherung in der Blechumformung vor neue Herausforderungen, beispielsweise beim Tiefziehen. So hat die Entwicklung hochfester Stähle bereits dazu geführt, dass der Kraftbereich von Prüfmaschinen beim Kaltverformen nach oben erweitert werden musste. Außerdem steigen die Erwartungen an die Materialcharakterisierung durch Prüfmaschinen. Die Fähigkeit eines Werkstoffes sich umformen zu lassen, bezeichnet man als Formänderungsvermögen. Bei der Kaltverformung von Stählen ist es im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung (Kohlenstoff, Legierungen und Phosphor), dem Gefüge (Korngröße, Verteilung) und der Wärmebehandlung abhängig. Um die mechanischen Eigenschaften von Blechen sowie deren Streck- und Tiefziehfähigkeit zu ermitteln, kommt der Bestimmung der Grenzformänderungskurve FLC (forming limit curve) eine besondere Bedeutung zu. Sie wird benötigt, um die Verformungen von der Einschnürung bis zum Bruch mit vorliegenden Struktur- und Formänderungen an realen Bauteilen vergleichen und bewerten zu können.

Jedes Material hat seine individuelle Grenzformänderungskurve, die beispielsweise mit Hilfe von Tiefungsversuchen nach Erichsen, Nakajima oder Marciniak ermittelt werden kann. Bei dieser Kaltverformung wird üblicherweise eine hydraulische Blechumformprüfmaschine mit Stempeln in unterschiedlichen Formen eingesetzt. Um eine flexiblere Prüflösung für unterschiedliche Verfahren zu erreichen, hat Zwick Roell eine Tiefziehprüfeinrichtung entwickelt, die in eine statische Materialprüfmaschine integriert wird. Die Prüfeinrichtung ist für Näpfchenziehversuche nach DIN EN 1669, Lochaufweitungsversuche nach ISO 16630 sowie Tiefungsversuche nach Erichsen (ISO 20482) und Tiefungsversuche nach Nakajima oder Marciniak (ISO 12004) ausgelegt.

Solch ein kombiniertes Prüfsystem mit einer Kraft bis 600 Kilonewton steht auch bei Voestalpine im Werk Linz. Hier werden zunächst Probekörper nach dem Marciniak-Verfahren verformt, um anschließend deren Oberfläche auf Ihre Welligkeit nach der VW-Konzernnorm PV 1054 hin zu untersuchen. Hintergrund ist, dass die Welligkeit des umgeformten Blechs, neben Rauigkeit und Lackierverfahren, das Erscheinungsbild von Autotüren oder Motorhauben entscheidend prägt. Die Bestimmung des Welligkeitskennwerts dient dazu, die sogenannte Langwelligkeit der Blechoberfläche, die häufig erst im lackierten Zustand an stärker umgeformten Bauteilbereichen sichtbar wird, schon am unlackierten Teil zu erfassen.

Tracking virtueller Messmarken

Die bei Voestalpine eingesetzte Materialprüfmaschine »Z600E« bietet dank robustem Lastrahmen mit vier hart verchromten Führungssäulen und massiver Sockel- und Fahrtraverse gute Führungseigenschaften und eine hohe Steifigkeit. Außerdem ist durch den Präzisionskugelgewindetrieb und digital geregelten AC-Servoantrieb ein nahezu wartungsfreier Betrieb gegeben. Unterstützt wird der Anwender durch die Mess-, Steuer- und Regelelektronik ›Testcontrol II‹. Sie ermöglicht durch ihre Genauigkeit, hohe Messwertraten und modulare Bauweise ideale Voraussetzungen für präzise und reproduzierbare Prüfergebnisse.

Zur Ausführung des Tiefungsversuchs nach Marciniak wird die Tiefziehprüfeinrichtung auf der Fahrtraverse montiert. Die maximale Blechdicke, die umgeformt werden kann, liegt bei zehn Millimetern; die Ziehtiefe bei einem Tiefungsstempel mit einem Durchmesser von 120 Millimetern reicht von 10 bis 20 Millimeter. Schließen und Öffnen des Werkzeugkopfs sowie das Spannen des Blechs erfolgen hydraulisch, die Drehbewegung des Bajonetts pneumatisch. Highlight des Prüfsystems ist ein Laser-Extensometer, der die Dehnung der Blechoberfläche berührungslos misst und die Umformung beim Erreichen des Sollwerts beendet. Der ›Laserxtens‹ besteht aus zwei Messköpfen mit digitalen Kameras und Laserlichtquellen. Durch das Laserlicht wird auf der Probenoberfläche ein Speckle-Muster erzeugt, das mit zwei Vollbildkameras aufgezeichnet wird. Diese virtuelle Messmarke verfolgt der Laserxtens mit Hilfe eines Korrelationsalgorithmus. Aus der Verschiebung von zwei hintereinander aufgenommenen Bildern wird dann die Dehnung am Prüfling berechnet. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass keine Markierungen auf der Blechprobe notwendig sind, so dass sich Vorbereitungs- und Taktzeiten reduzieren.

Zwick Roell bietet neben hydraulischen Prüfmaschinen zur Blechumformung eine neue Prüflösung für die Kaltverformung an, die unterschiedliche Tiefungsversuche sowie Lochaufweitungs- und Näpfchenziehversuche abdeckt. Die Kombination aus Materialprüfmaschine und Tiefziehprüfeinrichtung wird bei Voestalpine bereits produktionsbegleitend eingesetzt und kann bei steigendem Prüfbedarf um ein automatisches Probenzuführsystem erweitert werden.

Erschienen in Ausgabe: 06/2018