A284

Einfluss der Kantenbearbeitung auf die Festigkeitseigenschaften von Stahl-Feinblechen unter quasistatischer und schwingender Beanspruchung

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

Einfluss der Kantenbearbeitung auf die Festigkeitseigenschaften von Stahl-Feinblechen unter quasistatischer und schwingender Beanspruchung

 (A 284 S 24/10203/13)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     17. März 2014 – 16. März 2017

Für die rechnerische Lebensdaueranalyse schwingend belasteter Blechkonstruktionen, wie z. B. Karosserie- oder Fahrwerksbauteile aus Stahlfeinblech wird häufig das Örtliche Dehnungskonzept verwendet. Das Verfahren basiert auf Werkstoffkennwerten, welche an ungekerbten Flachproben mit polierten Kanten ermittelt werden. Die in der Fertigung von Prototypen- und Serienbauteilen verwendeten Trennverfahren wie Laserstrahlschneiden oder Scherschneiden führen zu Kantenzuständen, die stark von dem polierten Kantenzustand der Flachprobe abweichen. Da der Ermüdungsriss in der Regel von einer bearbeiteten Kante ausgeht, hat der Kantenzustand einen maßgeblichen Einfluss auf die Anrisslebensdauer. Wird der Einfluss des Kantenzustands auf die zyklischen Werkstoffkennwerte nicht berücksichtigt, sind Abweichungen zwischen der rechnerischen und der experimentellen Lebensdauer zu erwarten. Für eine sichere Bauteilauslegung bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Leichtbauaspekten muss der Einfluss des Kantenbearbeitungszustands auf die Schwingfestigkeit von Stahlfeinblech systematisch untersucht werden

Ziel des Forschungsvorhabens war unter anderem die experimentelle Ermittlung des Kanteneinflusses auf das Festigkeitsverhalten von Stahlfeinblechen unter quasistatischer und insbesondere unter schwingender Beanspruchung in Abhängigkeit der Kantenbearbeitung, des Werkstoffs, der Beanspruchungsart und des Spannungsgradienten. 

An der Hochschule Esslingen wurde mit dehnungs- und spannungskontrollierten Schwingfestigkeitsversuchen der Einfluss des Laserstrahlschneidens und des Scherschneidens auf die Schwingfestigkeit von Stahlfeinblech ermittelt. Die Untersuchungen wurden an sechs verschiedenen Stahlfeinblechgüten (DC04, DP800, CP800, DP1000, CP1000 und pressgehärtetem 22MnB5) durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigen einen zum Teil erheblich Einfluss des Kantenbearbeitungszustands auf das Schwingfestigkeitsverhalten. Ausgehend vom Referenzzustand mit polierten Kanten führt das Laserstrahlschneiden und Scherschneiden bei allen untersuchten Stählen zu einer Verschlechterung der Schwingfestigkeit. Dieser Schwingfestigkeitsabfall muss im Entwicklungsprozess eines Karosseriebauteils berücksichtigt werden.

Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurde ein Verfahren entwickelt, mit welchem die zyklischen Werkstoffkennwerte an den am Prototypen- oder Serienbauteil vorliegenden Kantenbearbeitungszustand angepasst werden können. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, wie man verschiedene Ursachen des Schwingfestigkeitsabfalls bei der Lebensdaueranalyse von Stahlfeinblech mit dem örtlichen Dehnungskonzept berücksichtigen kann, um die zyklischen Werkstoffkennwerte, welche an Proben mit polierten Kanten ermittelt wurden, auf Bauteile mit laserstrahl- oder schergeschnittenen Kanten zu übertragen. Auf diese Weise kann der Einfluss des Kantenbearbeitungszustands bei der Auslegung des Bauteils mit dem örtlichen Dehnungskonzept berücksichtigt werden.

Die Schnittkantenqualität schergeschnittener Bauteile ist neben dem Werkstoff vor allem von den Schneidparametern abhängig. Dazu zählen unter anderem der Schneidspalt, der Kantenradius von den Schneidaktivelementen und das Schneidverfahren. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Umformtechnik und Gießereiwesen an der Technischen Universität München wurden im Rahmen der Forschungsarbeit Proben mit verschiedenen Parameterkombinationen gefertigt und bezüglich des Schwingfestigkeitsverhaltens untersucht. Oberflächen- und Mikrohärtemessungen haben gezeigt, dass durch die Variation der Scherschneidparameter sowohl die Geometrie der entstehenden Schnittfläche als auch der Gefügezustand innerhalb der Schereinflusszone in hohem Maße beeinflusst wird. Mit den Untersuchungsergebnissen kann eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Anrisslebensdauer schergeschnittener Bauteile über die Wahl der Schneidparameter optimiert werden kann.

Forschungsstellen:

Hochschule Esslingen, Fakultät Fahrzeugtechnik, Labor für Werkstoff- und Fügetechnik

Technische Universität München, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg)

Forschungsleiter:                         

Prof. Dr.-Ing. Peter Häfele, Hochschule Esslingen

Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Technische Universität München

(vorgelegt von: Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF