Grenzformänderungsschaubild

Das Grenzformänderungsschaubild zeigt, wie viel Umformung ein Blechwerkstoff aushält, und zwar in Abhängigkeit davon, wie er umgeformt wird. Es ist das Werkzeug, mit dem sich ein Simulationsergebnis in die Aussage übersetzen lässt, ob ein Bauteil hält oder reißt.

Warum eine einzelne Dehnungsangabe nicht reicht

Es liegt nahe, die Umformgrenze als einen Wert anzugeben: so viel Prozent Dehnung hält der Werkstoff aus. Das funktioniert nicht, weil ein Blech in der Ebene zwei Richtungen hat und es darauf ankommt, was in beiden geschieht.

Ein Streifen, der in einer Richtung gezogen wird und sich quer dazu frei zusammenziehen kann, verträgt deutlich mehr als eine Fläche, die in beide Richtungen gleichzeitig gestreckt wird. Im zweiten Fall kann das Material nicht seitlich ausweichen; die gesamte Formänderung geht zulasten der Blechdicke. Dieselbe gemessene Dehnung bedeutet also je nach Beanspruchungsart etwas völlig anderes.

Aufbau des Diagramms

Deshalb werden beide Formänderungen gegeneinander aufgetragen: die größere der beiden Hauptformänderungen senkrecht, die kleinere waagerecht. Jeder Punkt der Bauteiloberfläche lässt sich so als ein Punkt im Diagramm darstellen.

Die waagerechte Achse unterscheidet dabei drei Bereiche:

Linker Bereich – Tiefziehen

Die kleinere Formänderung ist negativ: Das Material wird in einer Richtung gezogen und staucht sich quer dazu. Das ist der Zustand im einlaufenden Flansch. Hier liegt das Umformvermögen am höchsten, weil die Blechdicke kaum abnimmt.

Mitte – ebener Dehnungszustand

Die kleinere Formänderung ist etwa null: Das Material wird in einer Richtung gestreckt und ist quer dazu festgehalten. Typisch für lange, schmale Geometrien wie Sicken und Kanten. In diesem Bereich liegt das Minimum der Kurve: Hier verträgt der Werkstoff am wenigsten.

Rechter Bereich – Streckziehen

Beide Formänderungen sind positiv: Das Material wird in alle Richtungen gestreckt und dünnt entsprechend stark aus. Typisch für ausgewölbte Bereiche, die nicht durch nachfließendes Material versorgt werden.

Durch dieses Feld verläuft die Grenzformänderungskurve. Sie trennt die Zustände, die der Werkstoff erträgt, von denen, die zur örtlichen Einschnürung und damit zum Versagen führen.

Was die Kurve nicht ist

Die Kurve ist keine Werkstoffkonstante. Sie gilt jeweils für eine bestimmte Güte in einer bestimmten Blechdicke und wird experimentell ermittelt, nicht berechnet. Ein dickeres Blech derselben Güte hat eine andere Kurve.

Außerdem setzt sie voraus, dass die Umformung in einem Zug und mit gleichbleibender Beanspruchungsrichtung abläuft. In einer mehrstufigen Operationsfolge trifft das nicht zu: Ein Bereich, der in OP10 gezogen und in OP30 nachgeformt wird, erfährt zwei verschiedene Beanspruchungsarten nacheinander. Die Aussagekraft der Kurve ist dann eingeschränkt. Sie bleibt nützlich, wird aber zum Anhaltspunkt statt zum Nachweis.

Schließlich gilt sie für die Einschnürung, nicht für jede Form des Versagens. Ein Riss an einer Schnittkante oder ein Scherbruch bei höherfesten Güten kann auftreten, obwohl der Punkt im Diagramm unkritisch liegt.

Verwendung in der Planung

In der Auswertung einer Umformsimulation werden die Punkte der Bauteiloberfläche farbig in das Diagramm eingetragen. Das ergibt ein Bild davon, wie nah das Bauteil insgesamt an der Grenze arbeitet, und vor allem, ob kritische Bereiche einzelne Punkte sind oder zusammenhängende Zonen.

Interessanter als die Frage „liegt ein Punkt über der Kurve" ist dabei der Abstand: Ein Bauteil, dessen Punkte dicht unter der Grenze liegen, besteht die Rechnung, versagt aber in der Serie, sobald eine Werkstoffcharge am unteren Rand ihrer Toleranz liegt. Deshalb wird nicht gegen die Kurve geplant, sondern gegen einen Abstand zu ihr.

Der zweite Blick gilt der Verteilung über die Bereiche: Liegen viele Punkte in der Mitte des Diagramms, arbeitet das Bauteil im ungünstigsten Beanspruchungszustand. Eine veränderte Ziehanlage, die dieselben Bereiche nach links verschiebt, gewinnt Sicherheit, ohne dass sich an der Bauteilgeometrie etwas ändert.

Wie die Auswertung im Diagramm entsteht und welche Grenzen sie hat, behandelt die Schwesterseite tiefziehsimulation.de. Diese Seite befindet sich noch im Aufbau.