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Moderne Technologien der Metallbearbeitung
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Der Blechbiegeprozess mit Abkantpressen ist einer der Schlüsselschritte in der modernen Blechbearbeitung. Obwohl die Technologie an sich einfach erscheint, erfordert sie in der Praxis ein tiefes Verständnis der Materialeigenschaften und der Mechanik der plastischen Umformung. Dieser Artikel konzentriert sich auf eine detaillierte Analyse des Einflusses der Materialeigenschaften auf den Biegeprozess, mit besonderem Augenmerk auf das Rückfederungsverhalten, die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften und den Einfluss der Mikrostruktur.
Die Streckgrenze (Re) ist einer der wichtigsten Parameter, die das Verhalten des Blechs während des Biegens bestimmen. Sie definiert den Punkt, an dem das Material beginnt, sich plastisch zu verformen, d.h. seine Form dauerhaft zu ändern. Für den Biegeprozess sind folgende Aspekte von entscheidender Bedeutung:
Beispielsweise erfordert der Stahl S235JR mit einer Streckgrenze von 235 MPa deutlich geringere Biegekräfte als der Stahl S700MC mit einer Streckgrenze von 700 MPa, bei gleicher Materialdicke.
Der Elastizitätsmodul (E), der ein Maß für die Steifigkeit des Materials ist, beeinflusst direkt das Ausmaß der Rückfederung. Materialien mit einem höheren Elastizitätsmodul weisen eine geringere Rückfederung auf, was die Vorhersagbarkeit des Biegeprozesses verbessert.
Ein Vergleich verschiedener Materialien:
zeigt deutlich, dass Aluminium bei gleichen Biegeparametern eine deutlich größere Rückfederung als Stahl aufweist, was eine entsprechende Anpassung des Biegewinkels erfordert.
Die Rückfederung ist eines der wichtigsten Phänomene, die beim Biegen von Blechen berücksichtigt werden müssen. Sie entsteht aufgrund von:
Beim Biegen des Blechs werden die Materialschichten auf der Außenseite der Biegung gedehnt, während die Schichten auf der Innenseite gestaucht werden. Dazwischen befindet sich die sogenannte neutrale Faser, die ihre Länge nicht ändert. Nach dem Entlasten wird ein Teil der elastischen Verformung rückgängig gemacht, was zu einer teilweisen Entspannung des Materials und einer Änderung des Biegewinkels führt.
Die Rückfederung hängt von mehreren Schlüsseleigenschaften des Materials ab:
Zur Bestimmung des Rückfederungsverhaltens werden verschiedene mathematische Modelle verwendet, darunter:
Gardner-Modell:
K = r/t * (Re/E) * (π/2 - α)
wobei:
Bozdemir-Göloğlu-Modell:
K = C * (Re/E) * (r/t)^n
wobei C und n materialspezifische empirische Konstanten sind
Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Rückfederung bei hochfesten Stählen (z.B. DP800) bis zu 300 % größer sein kann als bei niedriglegierten Stählen (z.B. DC01) bei gleichen Biegeparametern.
Metallbleche weisen aufgrund ihres Herstellungsprozesses eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften auf. Die Walzrichtung hat einen signifikanten Einfluss auf:
Beispielsweise weist der Stahl DC04, der für das Tiefziehen bestimmt ist, einen r-Wert von > 1,6 auf, was eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Dickenabnahme während der Umformung bedeutet, aber gleichzeitig zu ungleichmäßiger Rückfederung beim Biegen in verschiedenen Richtungen relativ zur Walzrichtung führen kann.
Der minimale Biegeradius (rmin) steht in direktem Zusammenhang mit der Materialdicke (t) und seinen mechanischen Eigenschaften. Die allgemeine Beziehung wird oft durch die Formel ausgedrückt:
rmin = K * t
wobei K ein materialspezifischer Koeffizient ist:
Der Wärmebehandlungszustand des Materials hat einen erheblichen Einfluss auf den Biegeprozess:
Hochfeste Stähle (HSS) und fortgeschrittene hochfeste Stähle (AHSS) zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
Beispielsweise zeigt der Stahl DP600 (Dual-Phase) mit einer Streckgrenze von etwa 400 MPa eine um etwa 30-40 % größere Rückfederung als der Stahl DC04 mit einer Streckgrenze von etwa 170 MPa.
Aluminiumlegierungen weisen aufgrund des niedrigeren Elastizitätsmoduls folgende Eigenschaften auf:
Ein Vergleich verschiedener Aluminiumlegierungen zeigt, dass die Serie 5xxx (z.B. 5083) eine gute Biegefähigkeit aufweist, während Legierungen der Serie 7xxx (z.B. 7075) eine präzise Anpassung der Biegeparameter erfordern.
Um den Einfluss der Materialeigenschaften auf den Biegeprozess zu kompensieren, werden folgende Maßnahmen ergriffen:
Für schwer biegbare Materialien werden folgende Techniken eingesetzt:
Die für das Biegen erforderliche Druckkraft steht in direktem Zusammenhang mit den Materialeigenschaften:
F = k * Re * b * t²/W
wobei:
Materialien mit einer höheren Streckgrenze erfordern proportional größere Druckkräfte, was höhere Anforderungen an die Parameter der Abkantpresse stellt.
Die Geschwindigkeit des Biegeprozesses kann das Materialverhalten beeinflussen:
Der moderne Ansatz für Blechbiegeprozesse berücksichtigt fortschrittliche Methoden zur Untersuchung der Materialeigenschaften:
Die Entwicklung numerischer Methoden ermöglicht eine genauere Vorhersage des Materialverhaltens beim Biegen:
Die zunehmende Verwendung von ultrahochfesten Stählen (UHSS) stellt neue Herausforderungen dar:
Die zunehmende Verwendung von mehrschichtigen und Verbundwerkstoffen erfordert:
Die Materialeigenschaften spielen eine Schlüsselrolle beim Biegen von Blechen an Abkantpressen. Das Verständnis des Einflusses dieser Eigenschaften ermöglicht die Optimierung der Prozessparameter und die Herstellung hochwertiger Produkte. Die wichtigsten materialbedingten Einflussfaktoren auf den Biegeprozess sind:
Der moderne Ansatz für das Biegen von Blechen berücksichtigt fortschrittliche Untersuchungs- und Simulationsmethoden, die eine genauere Vorhersage des Materialverhaltens und die Optimierung der Prozessparameter ermöglichen. Mit der Entwicklung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften werden die Biegetechniken weiterentwickelt, um den steigenden Qualitäts- und Effizienzanforderungen in der Industrie gerecht zu werden.