Revolution aus hochfestem Stahl revolutioniert Tiefziehverfahren

Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einer kritischen Herausforderung in der Fertigung: starre Stahlbleche in komplexe, präzise Komponenten zu verwandeln. In Branchen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrt ist das Tiefziehen ein entscheidender Prozess, der die Produktleistung, die Kosteneffizienz und die Designflexibilität bestimmt. Herkömmliche Stähle weisen oft Einschränkungen in der Ziehbarkeit auf, aber hochfester Stahl (AHSS) revolutioniert diese Landschaft.

Tiefziehen ist ein Blechumformverfahren, bei dem Gesenke und Pressen verwendet werden, um flache Zuschnitte in dreidimensionale Teile umzuwandeln. Im Gegensatz zum Streckziehen beinhaltet das reine Tiefziehen nur minimale Dickenvariationen und beruht hauptsächlich auf dem Materialfluss aus dem Flanschbereich in den Gesenkhohlraum. Obwohl es keine strenge Definition gibt, werden Prozesse, bei denen die Ziehtiefe den Durchmesser übersteigt, typischerweise als Tiefziehen klassifiziert.

Das Grenzziehverhältnis (LDR) dient als primärer Indikator für die Tiefziehfähigkeit eines Materials. Das LDR wird durch Becherversuche ermittelt und stellt das maximale Verhältnis von Zuschnittdurchmesser zu Stempeldurchmesser dar, das erfolgreich gezogen werden kann (wie in Abbildung 1 dargestellt). Höhere LDR-Werte bedeuten eine bessere Tiefziehfähigkeit und ermöglichen die Herstellung von tieferen, komplizierteren Komponenten.

Während des LDR-Tests fließt Metall von kreisförmigen Zuschnitten durch den Gesenkradius in die Becherwände. Die Materialbewegung ist auf den Übergang vom flachen Zuschnitt zu den vertikalen Seitenwänden beschränkt, ohne dass ein Fluss im Grundbereich stattfindet. Wie in Abbildung 2 gezeigt, wirken radiale Zug- und umlaufende Druckspannungen auf den Flansch unter einem flachbündigen Stempel, während der Niederhalterdruck Faltenbildung verhindert.

Erfolgreiches Tiefziehen hängt von drei miteinander verbundenen Elementen ab: Materialeigenschaften, Prozessparametern und Gesenkdesign.

Die Normalanisotropie (r _m ) beeinflusst die Leistung des Becherversuchs erheblich. Wenn r _m 1 übersteigt, erhöht sich das LDR. Bemerkenswert ist, dass das LDR nur geringfügig auf die Festigkeit oder den Verfestigungsindex (n-Wert) reagiert. Hochfeste Stähle mit UTS >450 MPa und warmgewalzte Stähle weisen typischerweise r _m ≈1 und ein LDR zwischen 2,0–2,2 auf. Während Dualphasenstähle (DP) und HSLA-Stähle ähnliche LDR-Werte aufweisen, zeigen TRIP-Stähle eine leicht verbesserte Tiefziehfähigkeit.

Diese Verbesserung ergibt sich aus der verformungsmodusabhängigen Umwandlung von Austenit in Martensit (Abbildung 3). Die Flanschschrumpfung erzeugt weniger Umwandlung als die ebene Dehnung in den Becherwänden, wodurch stärkere Wandbereiche entstehen, die das LDR erhöhen. Abbildung 4 zeigt die Vorteile eines erhöhten LDR über Stahlgüten mit äquivalenter Zugfestigkeit.

Eine ordnungsgemäße Schmierung reduziert die Reibung und die Ziehkraft und verbessert gleichzeitig den Materialfluss. Ein optimaler Niederhalterdruck verhindert Faltenbildung, ohne die Materialbewegung einzuschränken, und die Ziehgeschwindigkeit muss auf die Materialeigenschaften und die Gesenkkonfiguration abgestimmt sein.

Der Gesenkradius beeinflusst den Materialfluss und die Spannungsverteilung entscheidend—zu kleine Radien verursachen Brüche, während große Radien Faltenbildung begünstigen. Die Spieleinstellungen müssen der Materialdicke Rechnung tragen, und die Gesenkmaterialien erfordern eine sorgfältige Auswahl hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Festigkeit und Wärmebehandlungskompatibilität.

AHSS kombiniert außergewöhnliche Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit, um herkömmliche Einschränkungen zu überwinden:

• Erhöhte Festigkeit: Ermöglicht Leichtbau durch Materialreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Leistung
• Überlegene Duktilität: Ermöglicht größere Verformungen für komplexe Geometrien
• Hervorragende Zähigkeit: Verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit durch überlegene Energieabsorption

Verschiedene AHSS-Typen weisen unterschiedliche Ziehbarkeitseigenschaften auf:

• Dualphasenstahl (DP): Kombiniert Ferrit (für Duktilität) und Martensit (für Festigkeit) und erreicht LDR ≈2,0–2,2 (Abbildung 5). Beachten Sie, dass eine Verdoppelung der Streckgrenze das LDR nicht beeinflusst.
• TRIP-Stahl: Ein einzigartiger Umwandlungsmechanismus verbessert die Ziehbarkeit durch dehnungsinduzierte Martensitbildung.
• HSLA-Stahl: Bietet kostengünstige Lösungen mit ausgewogenen Eigenschaften.
• Martensitische (MS) Stähle: Liefern extreme Festigkeit, erfordern aber aufgrund der begrenzten Duktilität spezielle Umformansätze.

Abbildung 6 veranschaulicht die erreichbaren Becheriefen für diese Stahltypen.

Erfolgreiches Tiefziehen erfordert eine durchdachte Teile- und Gesenkgestaltung:

• Teilegeometrie: Vermeiden Sie scharfe Ecken, gerade Kanten und abrupte Übergänge; bevorzugen Sie glatte Radien
• Gesenkstruktur: Optimieren Sie Radius und Spiel, um den Materialfluss und die Spannungsverteilung zu steuern

Während der r-Wert hauptsächlich die Formbarkeit von flachbündigen Bechern beeinflusst, führen komplexe Formen wie halbkugelförmige Böden zu einer zusätzlichen Empfindlichkeit gegenüber dem n-Wert und der Mikrostruktur. Kastenförmige Teile erfordern eine Analyse ähnlich wie bei geviertelten Bechern, wobei Seitenwände durch Biegen/Entbiegen von Material gebildet werden, das aus dem Flanschbereich fließt.

Die Industrie entwickelt sich in Richtung intelligenter Prozesssteuerung durch Sensoren und KI, digitaler Simulation zur Gesenkoptimierung sowie umweltfreundlicher Materialien und Methoden. Während höhere r-Werte im Allgemeinen das LDR erhöhen, bleiben die absoluten Werte abhängig von Schmierung, Niederhalterkraft, Gesenkradius und anderen Systemparametern. Abbildung 7 zeigt, wie sich die Schmiermittelviskosität auf die Leistung auswirkt.