Beitrag zum Ziehen von Blechteilen aus Aluminiumlegierungen

Im Rahmen der Bemühungen um Einsparung von Energie besteht bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen unter anderem der Zwang zum Leichtbau. Dieses Ziel wird durch eine entsprechende Gestaltung der Bauteile („konstruktiver Leichtbau“) und/oder durch Verwendung von Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht oder höherer Festigkeit („Werkstoff-Leichtbau“) zu erreichen versucht. Derartige Überlegungen begründen das Interesse der Automobilindustrie am Einsatz von Blechteilen aus Aluminiumlegierungen [1 bis 5], obwohl zur Herstellung einer Masseneinheit Aluminium im Vergleich zu Stahl ein Vielfaches an Energie erforderlich ist (das 8,5fache nach [6], das 6,7fache nach [7]).

Die derzeit in DIN 1745 genormten, handelsüblichen Bleche aus Aluminium und Aluminiumlegierungen können in Reinaluminium,. nicht aushärtbare (naturharte) Legierungen und aushärtbare Legierungen unterteilt werden (Bild T 1).

Wirtschaftlichkeit bedeutet bei der Erzeugung von Werkstücken mit bestimmten Eigenschaften Minimierung des dazu notwendigen Aufwandes bzw. der Kosten. Diese Kosten setzen sich aus den Anteilen für den Werkstoff und die Fertigung zusammen. Die Werkstoffkosten sind u. a. auch durch die Verteuerung der Energie gestiegen. Der hohe Energieaufwand zur Herstellung des Werkstoffs läßt somit nur eine Fertigung mit einer hohen Stoffausnutzung bzw. einem minimalen Stoffeinsatz wirtschaftlich erscheinen [7].

Von den für die Versuche ausgewählten Werkstoffen entspricht AlMg 2,5 dem in DIN 1745 genormten Werkstoff Nr. 3.3523, während AlMg 5 und AlMg 0,4 Si 1,2 dort nicht aufgenommen sind. Die chemische Zusammensetzung dieser Werkstoffe (Tabelle 1) zeigt Ähnlichkeiten mit drei im internationalen Verzeichnis für Aluminium-Knetwerkstoffe [6 7] enthaltenen Legierungen: So entspricht AlMg 5 etwa AA 5182 und AlMg 0,4 Si 1,2 ist AA 6009 und AA 6010 ähnlich. Die Legierungen AlMg 5 und AlMg 0,4 Si 1,2 wurden gezielt für den Einsatz im Karosseriebau entwickelt. Die naturharten Werkstoffe wurden im Werkstoffzustand „weich“, AlMg 0,4 Si 1,2 in einem kaltausgehärteten stabilen Zustand angeliefert. Bei letzterem tritt unter den Bedingungen einer Einbrennlackierung (z. B. 90 min bei 180 °C) eine weitere Aushärtung ein. Die Werkstoffkennwerte des Anlieferungszustandes waren aus Werkszeugnissen und Schrifttum [5,9,10] bereits bekannt (Tabelle 2). Mit diesen Daten können die Ergebnisse eigener Messungen verglichen werden.

Die Bewertung der Einflüsse ausgewählter Parameter anhand des Kraftbedarfs und der Formänderungsverteilung zeigt in fast allen Fällen einen Zusammenhang zwischen beiden Bewertungsgrößen: Höhere Stempelkräfte führen normalerweise zu höheren radialen Zugspannungen im Ziehteil und diese wiederum zu höheren Formänderungen in dieser Richtung. Somit ergibt sich -zumindest bereichsweise — eine Verschiebung der Formänderungsverteilung zu höheren radialen Werten (φ_R bzw. φ₁), womit gleichzeitig der Abstand zur Grenzformänderungskurve verkürzt wird.

Die Unterschiede beim Ziehen von Teilen aus Tiefziehstahlblechen und Aluminiumlegierungen sind in den Werkstoffeigenschaften begründet. Am Beispiel des Werkstoffs RRSt 1403, der in vergleichbaren Untersuchungen verwendet wurde [61], seien diese Unterschiede aufgezeigt (Daten aus [59]). Abgesehen von deutlich höherer Zugfestigkeit und Streckgrenze zeichnet sich das Stahlblech durch eine erheblich höhere Gleichmaß- und Bruchdehnung aus. An den Tiefziehstahlblechen werden Gleichmaßdehnungen A_g > 30% und Bruchdehnungen A₅ > 4 0% erreicht gegenüber den Aluminiumlegierungen mit Gleichmaßdehnungen zwischen 20 und 30% sowie Bruchdehnungen zwischen 22 und 38%. Die Abhängigkeit dieser Dehnungswerte vom Winkel zwischen Hauptbeanspruchungs- und Walzrichtung ist genau umgekehrt wie bei den untersuchten Aluminiumblechen. Bei Stahl sind üblicherweise parallel zur Walzrichtung höhere Dehnungswerte erreichbar als unter 90 °, was sich z. B. auch im Einfluß der Probenlage auf die Grenzformänderungskurve bemerkbar macht [33].

Das gegenüber Tiefziehstahlblechen geringere Formänderungsvermögen der untersuchten Aluminiumlegierungen macht es notwendig, bei der Konstruktion der Ziehteile eine fertigungsgerechte Gestalt anzustreben sowie bei der Fertigungsplanung und der Fertigung selbst optimale Vorgangsbedingungen festzulegen.

Das Ziehen von Blechteilen aus Aluminiumlegierungen ist von einem im Vergleich zu Tiefziehstahlblechen geringeren Formänderungsvermögen gekennzeichnet. Diesem Umstand ist durch eine optimale Durchführung des Ziehvorgangs Rechnung zu tragen. Die vorliegende Arbeit versucht, die dazu notwendigen Voraussetzungen zu erfassen.