Rückfederung

Rückfederung ist die elastische Formänderung, die ein Blechteil beim Öffnen des Werkzeugs erfährt. Sie tritt als physikalische Folge der gespeicherten elastischen Spannung an jedem kaltumgeformten Bauteil auf und führt dazu, dass die Werkzeugflächen gegenüber der Sollgeometrie des Bauteils korrigiert werden müssen.

Woher der Effekt kommt

Beim Umformen wird das Blech sowohl plastisch als auch elastisch verformt. Der plastische Anteil bleibt: Er ist die gewünschte Formänderung. Der elastische Anteil ist reversibel: Solange das Werkzeug geschlossen ist, hält es das Material in Position; sobald es öffnet, baut sich diese elastische Verformung ab, und das Teil bewegt sich.

Entscheidend ist, dass die Spannungen über die Blechdicke hinweg nicht gleich sind. In einem gebogenen Bereich steht die Außenseite unter Zug, die Innenseite unter Druck. Diese ungleiche Verteilung erzeugt beim Entlasten ein Biegemoment, das den Radius öffnet.

Wie sich Rückfederung äußert

Winkeländerung

Der klassische Fall. Ein umgeformter Winkel öffnet sich nach dem Entlasten; aus der Form kommt ein stumpferer Winkel, als die Werkzeuge vorgeben.

Wandaufbiegung

Eine zunächst gerade Zarge wird nach dem Entlasten bauchig oder hohl. Ursache ist, dass das Material beim Lauf über die Ziehkante gebogen und wieder gerade gebogen wurde und dabei eine ungleiche Spannungsverteilung über die Dicke behalten hat.

Verwindung

Das Bauteil verdreht sich um seine Längsachse. Das ist das unangenehmste Bild, weil es nicht örtlich ist: Ursache sind global unsymmetrische Eigenspannungen, und eine lokale Korrektur greift deshalb nicht.

Flankeneinzug

Freie Ränder und Flanschkanten ziehen sich nach innen und weichen von der Sollkontur ab.

Wovon der Effekt abhängt

Der Umfang der Rückfederung ergibt sich aus dem Verhältnis von Festigkeit zu Steifigkeit des Werkstoffs und aus der Geometrie. Die wesentlichen Einflussgrößen, ohne Wertung ihrer Größenordnung, die geometrie- und werkstoffabhängig ist:

• Werkstofffestigkeit. Je höher die Fließgrenze, desto größer der elastisch gespeicherte Anteil. Das ist der Grund, warum höherfeste Stähle planerisch deutlich aufwendiger sind als weiche Tiefziehgüten.
• Elastizitätsmodul. Er bestimmt, wie stark sich eine gespeicherte Spannung in Verformung umsetzt. Bei Aluminium liegt er deutlich unter dem von Stahl, weshalb Aluminiumteile bei gleicher Festigkeit stärker zurückfedern.
• Verhältnis von Radius zu Blechdicke. Große Radien bei dünnem Blech federn stärker zurück als kleine Radien bei dickem.
• Spannungszustand beim Entlasten. Ein Bereich, der unter Zugspannung umgeformt wurde, verhält sich anders als einer, der nur gebogen wurde. Deshalb beeinflusst die Auslegung der Ziehanlage die Rückfederung mit.
• Eigenspannungsverteilung über das Bauteil. Sie entscheidet, ob eine örtliche Winkeländerung oder eine globale Verwindung entsteht.

Wie die Planung damit umgeht

Da sich die elastische Rückverformung bei der Kaltumformung physikalisch nicht unterbinden lässt, wird sie in der Auslegung vorweggenommen oder begrenzt:

Kompensation der Werkzeugflächen

Die Wirkfläche wird um den Betrag der erwarteten Rückfederung entgegen der Rückfederrichtung überbogen (kompensiert), sodass das entlastete Bauteil in die Sollgeometrie zurückfedert. Diese Geometriekorrektur wird heute in der Regel simulativ ermittelt und iterativ verfeinert.

Beeinflussung des Spannungszustands

Wird ein Bereich beim Umformen unter überlagerte Zugspannung gesetzt, wird der Querschnitt gleichmäßiger plastifiziert und das rückfedernde Biegemoment sinkt. Allerdings steigt dadurch die Ausdünnung, weshalb dieser Weg durch die Reißergrenze begrenzt ist.

Gestaltung des Bauteils

Sicken, Versteifungen und Querschnittsänderungen erhöhen die Formsteifigkeit und begrenzen, wie weit sich ein Bereich überhaupt bewegen kann. Weil solche Änderungen das Bauteil selbst betreffen, gehören sie in die frühe Abstimmung zwischen Konstruktion und Planung und sind später nicht mehr verfügbar.

Lage in der Operationsfolge

Maßkritische Geometrien werden spät hergestellt, wenn der Großteil der Rückfederung bereits stattgefunden hat. Das ist einer der Gründe für die typische Operationsfolge.

Warum Rückfederung planerisch so aufwendig ist

Der Effekt tritt erst auf, wenn das Teil das Werkzeug verlässt, also zu einem Zeitpunkt, an dem die Werkzeuge gebaut sind. Er ist außerdem von der Werkstoffcharge abhängig: Schwankungen der Fließgrenze innerhalb der zulässigen Toleranz führen zu unterschiedlichen Ergebnissen aus demselben Werkzeug. Eine Kompensation, die für eine Charge passt, kann für die nächste zu weit oder zu kurz gehen.

Aus diesem Grund wird nicht auf einen Zielwert hin ausgelegt, sondern auf einen Prozess, der innerhalb der erwarteten Werkstoffstreuung maßhaltig bleibt.

Berechnung und Kompensation der Rückfederung in der Simulation behandelt die Schwesterseite tiefziehsimulation.de. Diese Seite befindet sich noch im Aufbau.

Häufige Fragen

Warum federn höherfeste Stähle und Aluminium stärker zurück als weiche Tiefziehstähle?

Der Umfang der Rückfederung hängt vom Verhältnis aus Fließgrenze und Elastizitätsmodul ab. Höherfeste Stähle speichern wegen ihrer hohen Fließgrenze mehr elastische Spannung; Aluminium besitzt einen deutlich niedrigeren Elastizitätsmodul als Stahl und gibt deshalb beim Entlasten stärker nach.

Wie wird die Rückfederung im Umformwerkzeug ausgeglichen?

In der Methodenplanung wird die Wirkfläche des Werkzeugs um den erwarteten Rückfederungsbetrag entgegen der Rückfederrichtung überbogen (kompensiert), außerdem wird das Blech über Niederhalter und Ziehsicken gezielt unter Zugspannung gesetzt, um das Biegemoment im Querschnitt zu verringern.

Warum ändert sich die Rückfederung oft erst nach dem Beschneiden?

Die Zusatzform und der Flanschrand wirken am gezogenen Teil zunächst wie ein versteifender Rahmen. Werden diese Bereiche in den Beschneidstufen abgetrennt, stellt sich ein neues Gleichgewicht der Eigenspannungen ein, wodurch sich das Bauteil weiter verformt oder verwindet.