Simulationen mit extra- und ultrahochfesten Stählen für Autokonstruktionen

1. Worauf Sie bei gedehnten Schnittkanten aus extra- und ultrahochfesten Stahl achten müssen

Beginnen Sie mit der größten Problem bei Umformsimulationen für extra- und ultrahochfesten Stahl: dem Dehnen der Schnittkanten. Sie müssen sich aller Situationen bewusst sein, bei denen eine unaxiale Spannung in einer Schnittkante auftreten kann.

Das Grenzformänderungsschaubild kann nicht als Richtlinie für die Kantendehnung verwendet werden, weil wir beim Testen von Material im Labor und bei der Erstellung der Umformgrenzkurve den extra- und ultrahochfesten Stahl nicht an der Schnittkante, sondern in der Mitte – im Grundkörper des Blechs – testen.

Es gibt auch keine Korrelation zwischen der Kantenduktilität und den Dehnungswerten – so dass die „Bananenkurve“ bei extra- und ultrahochfesten Stählen nicht zur Beurteilung der Kantenduktilität verwendet werden kann.

Einen starken Einfluss auf die Grenze der Kantenduktilität bei extra- und ultrahochfesten Stählen hat die Konstruktion des Schneidewerkzeugs. Im SSAB Knowledge Service Center testen wir unsere extra- und ultrahochfesten Docol® Stähle für die Automobilindustrie, um den optimalen Schneidspalt für jede Güte zu ermitteln.

Die Simulation von extra- und ultrahochfesten Stählen wird jedoch durch die Tatsache verkompliziert, dass sich die Kantenduktilität während der Serienproduktion aufgrund des Verschleißes des Schneidwerkzeugs verändert. Einige Simulationssoftware hat damit begonnen, die Kantendehnung zu berücksichtigen, wobei die Standardwerte für lasergeschnittene Kanten die höchsten sind, gefolgt von neuen Stanzkanten und abgenutzten Stanzkanten.

Bei Simulationen mit extra- und ultrahochfesten Stählen wurde daher auf Folgendes geachtet:

• Wo ist die Kantendehnung?
• Wie groß ist die Kantendehnung?
• Um welche Art von Kantendehnung handelt es sich?

2. Überprüfen Sie die Kantendehnung bei Schnittkanten aus extra- und ultrahochfestem Stahl mit einem praktischen Test

Es gibt viele Möglichkeiten, um unterschiedliche Verhaltensmuster und Dehnungsgrade bei extra- und ultrahochfesten Stählen zu erzeugen: auf der Blechebene, in der Dickenrichtung und auch in der Festigkeit und Konzentration entlang der Schnittkante selbst.

SSAB hat einen praktischen Versuch – den Doppelbiegeversuch – entwickelt, bei dem der maximale Biegewinkel von extra- und ultrahochfestem Stahl vor dem Auftreten von Rissen geprüft wird.

Unsere Ergebnisse aus dem Doppelbiegeversuch vergleichen wir mit dem Lochaufweitungsversuch. Und es kann große Unterschiede zwischen den Versuchen bei ihren akzeptablen Dehngrenzen geben. Beispielsweise kann ein 1 mm dicker 980-DP-Stahl eine maximale Dehnung von 46 % beim Lochaufweitungsversuch haben, aber nur 11 % beim Doppelbiegeversuch.

 

3. Achten Sie auf wesentliche Spannungen, die vorgedehnte Bereiche bei extra- und ultrahochfestem Stahl durchlaufen

Der Lochaufweitungsversuch nach ISO 16630 für Kantenduktilität wird ohne Vordehnung in einem extra- und ultrahochfesten Stahlmuster durchgeführt. In der Realität ist es üblich, dass die extra- und ultrahochfesten Bleche vor dem Schneiden und der endgültigen Dehnung der Schnittkante vorgedehnt werden. Es ist schwierig, einen allgemeinen Versuch für diese Situation zu gestalten, da ein Vordehnen des großen Prüfkörper (100 x 100 mm) für den Versuch über das Lochaufweitungsverhältnis (HER) sehr anspruchsvoll ist. Wie können Sie die Fähigkeit des extra- und ultrahochfesten Stahls für diese Situation vorhersagen?

Statt nur auf den HER-Versuch zu setzen, können Sie das Teil simulieren. Achten Sie dabei auf die wesentlichen Spannungen, die vorgedehnte Bereiche durchqueren. Wenn Sie welche ermitteln, haben Sie einige Optionen. Sie können das Material gegen eine extra- und ultrahochfeste Stahlgüte mit einer besseren Schnittkantenduktilität austauschen, um eine zusätzliche Sicherheitsmarge zu schaffen. Oder Sie passen Ihre Konstruktion an, um die Vordehnung auf einem niedrigeren Niveau zu halten. Oder Sie versuchen, die Vordehnung in einen anderen Bereich zu verlagern, in dem die endgültige Dehnung des Teils geringer ist.

4. Lassen Sie SSAB die Dehnungsgrade beim Biegen bestimmen

Das Grenzformänderungsschaubild (GFS) gilt für Elemente, die über ihre gesamte Dicke dieselbe Dehnung aufweisen. Aber wenn Sie extra- und ultrahochfesten Stahl biegen, haben Sie eine Dehnung auf der Außenseite, Verdichtung auf der Innenseite und eine neutrale, unverformte Schicht in der Mitte. Wenn Sie die Standardansicht in Simulationen verwenden, betrachten Sie die neutrale Schicht.

Sehen Sie sich stattdessen die Dehnung der Außenschicht des Bleches an. Wenn Sie dies tun, sollten Sie jedoch nicht die GFS-Darstellung verwenden, um das Versagen der Außenfläche zu bestimmen: Dies kann zu einem übermäßig konservativen Ergebnis führen.

Welche Niveaus sind also sicher für ein Biegen mit extra- und ultrahochfestem Stahl? Fragen Sie uns nach diesen Werten. Wir haben zum Beispiel in unserem Umformlabor einen Test für 2,0 mm Docol® 1400M für einen Kunden in Deutschland durchgeführt. Bei dieser Biegung haben wir eine Dehnung von 18 % gemessen, was viel höher ist als die Dehnung von 10 %, die wir aus der Umformgrenzkurve für dieses Material im Zustand der gleichen Dehnung durch die Dicke erhalten (GFS-Versuch).

5. Verwenden Sie inkrementelle Umformsimulationen, um Phänomene wie Biegen und Entspannen zu erfassen

Wenn Sie ein Metall biegen und es dann in die entgegengesetzte Richtung zurückbiegen und dies immer weiter machen, bricht das Metall schließlich – Sie haben die Schäden im Material akkumuliert. Dieses Verhalten kann vom Grenzformänderungsschaubild nicht erfasst werden und ist schwierig zu modellieren.

So hatten wir beispielsweise einen Kunden, dessen Simulationen keine Probleme beim Umformen von extra- und ultrahochfestem Stahl aufwiesen – keine Dehnungen, die über dem Grenzwert lagen. Während der Produktion traten dennoch Risse auf! Daher haben wir eine inkrementelle Umformsimulation durchgeführt, die einen speziellen Ergebniswert mit der Bezeichnung „akkumulierte Dehnung“ lieferte (siehe Abb.).

 

6. Achten Sie darauf, nicht zu stark von den hohen mechanischen Toleranzen der extra- und ultrahochfesten Stähle abhängig zu sein

Manchmal hören wir, dass das Argument, dass die gesamte Produktionsinstabilität auf Materialvariationen zurückzuführen ist. Konsistente extra- und ultrahochfeste Materialien sind zweifellos wichtig, aber das ist nicht die ganze Wahrheit.

Wir führen Reproduzierbarkeitsanalysen durch, bei denen unsere Docol^® Güten mit allgemeinen VDA-Güten verglichen werden. In einem Fall haben wir einen einfachen Flansch aus extra- und ultrahochfestem 980 Komplexphasenstahl (CP) mit einer Toleranz von ± 1° nach VDA 239 untersucht. Den vollständigen Analyseprozess finden Sie in unserem On-Demand-Webinar mit dem Titel: Simulationen mit extra- und ultrahochfesten Stählen für die Automobilkonstruktion: 10 wichtige Aspekte.

Die Analyse zeigte, dass bei diesem Teil aus Docol^® 980 CP aufgrund der höheren mechanischen Toleranzen des Docol^® Materials 628 Mal weniger außerhalb der Toleranzen liegen als beim Teil aus dem allgemeinen VDA 980 CP.

Eine hohe Materialkonsistenz ist immer wünschenswert, insbesondere bei Anwendungen mit extra- und ultrahochfestem Stahl/Gigapascal-Stahl, bei denen wirklich enge mechanische Toleranzen vorhanden sind. Es ist jedoch riskant, Teile aus extra- und ultrahochfestem Stahl zu konstruieren, die nur von einer hohen mechanischen Toleranz abhängig sind. Viele weitere Faktoren kommen bei der Produktion ins Spiel: Prozessvariationen, Werkzeugverschleiß, Schmierung usw.

Wir sagen gern, dass der wichtigste Parameter für einen stark reproduzierbaren Prozess mit extra- und ultrahochfesten Stählen eine robuste Teilekonstruktion sein muss, bei der die Vorteile von Geometrien mit hoher Steifigkeit, kleinen Radien, der strategischen Verwendung von Verstärkungen usw. voll ausgeschöpft werden.

 

7. Optimieren Sie Ihre Umformanordnung mit extra- und ultrahochfesten Stählen

Um die Umformanordnung zu optimieren, müssen Sie viele Parameter berücksichtigen, darunter Machbarkeit, Reproduzierbarkeit, verfügbare Pressen und Werkzeugverschleiß.

In unserem Simulations-Webinarsehen Sie, wie wir dasselbe Autoteil aus extra- und ultrahochfestem Stahl mit drei verschiedenen Umformansätzen fertigen: Zug + Flansch; Flansch + Nockenschnitt; und Flansch mit Nocken.

Für diese spezielle Konstruktion des Längsträgers erzeugt die Zug-Flansch-Simulation einen maximalen Rückfederungsweg von 10 mm und sieht ansonsten gut aus. Die Flansch-Nocken-Simulation hat eine maximale Rückfederung von 13 mm, jedoch Toleranzprobleme beim konvexen Oberflächenradius. Die Flansch-mit-Nocken-Simulation leidet unter hohen Dehnungen in Schnittkanten und großen Abweichungen bei der Formgenauigkeit aufgrund der gefalteten Radien.

8. Ihre Simulationen bei der Faltenbildung können zu konservativ sein

Bei Teilen aus extra- und ultrahochfestem Stahl mit stark komprimierten Kantenflanschen, bei denen kein Rohlinghalter verwendet werden kann, müssen Sie das Teil simulieren, um eine Faltenbildung zu erkennen. Hier ist ein Teil aus 4 mm dickem extra- und ultrahochfestem Stahl abgebildet. Wir haben dieses Teil mit Hilfe von drei verschiedenen Ansätzen simuliert, um es mit den tatsächlichen Prototypen zu vergleichen:

1. Eine Simulation, die mit Schalenelementen und ohne Selbstkontakt durchgeführt wurde, führte zu einem Ergebnis mit geringer Fähigkeit, sich von einer Faltenbildung zu erholen, nachdem sie aufgetreten ist. Doch tatsächlich zeigen sich nach dem Umformen keine Falten.
2. Eine Simulation nutzte vollintegrierte Massivelemente ohne Selbstkontakt. Dieses Ergebnis war näher an der Wirklichkeit, wies aber nach der Umformung immer noch Falten auf.
3. Eine Simulation verwendete Massivkörper und Selbstkontakt. Sie lieferte ein Ergebnis mit einer guten Übereinstimmung mit der Wirklichkeit.

Für Stanzsimulationen mit extra- und ultrahochfestem Stahl ist der häufigste Ansatz die Verwendung von Schalenelementen ohne Selbstkontakt. Für die Bestimmung der Faltenbildungstendenz ist dies ein sehr konservativer Elementtyp. Zumindest können Sie sagen, dass, wenn Sie keine Faltenbildung bei Verwendung von Schalenelementen ohne Selbstkontakt haben, es in der Wirklichkeit keine Faltenbildung gibt. Wie in diesem Beispiel gezeigt, kann dieser Ansatz jedoch bei einem Bauteil aus extra- und ultrahochfestem Stahl, das in der Wirklichkeit nicht vorhanden ist, begrenzt sein kann.

9. Werden durch Ihre Simulation mit extra- und ultrahochfestem Stahl die Blechreaktionskräfte simuliert, die zu einer Werkzeugöffnung führen können?

Bei Verwendung von extra- und ultrahochfesten Stählen erhöht sich die Reaktionskraft des Blechs bei Verwendung von Rohlinghaltern. Und wenn die Reaktionskraft des extra- und ultrahochfesten Stahls größer ist als die Kraft des Rohlinghalters, wird das Werkzeug geöffnet. Dies führt zu einem stark unkontrollierten Prozess: Sie können Falten und Risse und eine sehr geringe Korrelation zwischen Ihrer Simulation und der Wirklichkeit mit extra- und ultrahochfestem Stahl bekommen.

Kontrollieren Sie daher genau, dass die Kräfte auf die Rohlinghalter und -kissen ausreichen. Einige Simulationssoftware hat Möglichkeiten, um die Reaktionskraft des extra- und ultrahochfesten Stahlblechs während der Werkzeugöffnung zu ermitteln. Einige Software fügt mehr Rohlinghalterkraft hinzu, um die Werkzeuge geschlossen zu halten – aber es ist äußerst wichtig zu überprüfen, ob dies in Ihrer Simulationssoftware geschieht oder nicht.

10. Nichtlineare Verformungen berücksichtigen

Es ist wichtig, nichtlineare Fehler zu berücksichtigen, da die Kurve des Grenzformänderungsschaubilds für lineare Dehnpfade entwickelt wurde – d. h. das Umformen findet nur in eine Richtung statt, bis es zum Versagen kommt.

Das bedeutet, dass Sie beim Umformen und Verformen eines Bereichs eines Bauteils aus extra- und ultrahochfestem Stahl wie bei einem mehrstufigen Umformwerkzeug eine Situation bekommen, die nicht dem GFS entspricht. Und in der Realität kann das Ergebnis je nach Verformungspfad entweder besser oder schlechter sein.

Einige Simulationssoftware kann nichtlineare Verformungen berücksichtigen. Zum Beispiel hat AutoForm ein nichtlineares Umformschaubild, das nichtlineare Dehnungen berechnet und umwandelt und diese auf dem GFS abbildet. Dies kann bei der Verwendung von mehrphasigem Umformen sehr hilfreich sein – und manchmal auch, wenn das Umformen nur in einer Phase erfolgt, wie im folgenden Beispiel.

Die Abbildung links zeigt das herkömmliche GFS, das auf dem Bauteil aus extra- und ultrahochfestem Stahl (in diesem Fall aus Docol^® 1000DP) aufgetragen ist. In einem Bereich ist es rot, was bedeutet, dass die Streckgrenzen über der Umformgrenze liegen. Die Abbildung rechts zeigt jedoch das nichtlineare (umgeformte) Ergebnis, was zeigt, dass das Teil tatsächlich in Ordnung ist.