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Main Title: Röntgenographische Analysen der Umformmechanismen und der Eigenspannungen umgeformter Bleche im Single Point Incremental Forming-Verfahren
Translated Title: X-ray analyses of the forming mechanisms and residual stress states in sheet metal parts processed by single point incremental forming
Author(s): Dobecki, Mateus
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Tekkaya, A. Erman
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die inkrementelle Blechumformung ist ein flexibles Fertigungsverfahren zur Herstellung komplex geformter Teile durch die kontrollierte Bewegung des Umformwerkzeugs. Die mechanischen Eigenschaften inkrementell umgeformter Bleche im Single Point Incremental Forming (SPIF)-Verfahren werden maßgeblich von den wirkenden Umformmechanismen während der Herstellung beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wurde die Untersuchungsmethode der Beugung im Bereich der inkrementellen Blechumformung erstmals genutzt, um umfassende und tiefenaufgelöste Untersuchungen über die Umformmechanismen anhand von Texturanalysen für verschiedene Bauteilgeometrien vorzunehmen. Mithilfe von hochenergetischer Synchrotron-Röntgenstrahlung war es möglich, die Auswirkungen der Umformmechanismen anhand charakteristischer Kristallitreorientierungen zu identifizieren. Mittels definierter Referenzzustände wurden die bestimmten Kristallitorientierungen inkrementell umgeformter Probenzustände den Umformmechanismen Biegung, Streckung und Scherung zugeordnet. Durch Variation der Prozessparameter, darunter die vertikale Werkzeugzustellung und der Werkzeugradius, wurden umfangreiche Erkenntnisse über die Umformmechanismen im Herstellungsprozess gewonnen, die neben der umformbedingten Verfestigung und Blechstärkenabnahme auch das Verständnis über die Entstehung, Entwicklung und Ausprägung der Eigenspannungszustände ermöglichte. Es wurde röntgenographisch nachgewiesen, dass mit zunehmender Werkzeugzustellung und abnehmenden Werkzeugradius der Umformmechanismus Biegung maßgebend die Umformung beeinflusst, die sich u.a. in höheren Absolutbeträgen der Eigenspannungen in den finalen Blechbauteilen äußert. Abnehmende Werkzeugzustellungen bei konstanter Bauteilhöhe hingegen fördern die Einflussnahme der Scherung im Prozess, die sich besonders in stärkeren Verfestigungen und zunehmenden Blechstärkenabnahmen zeigt. Demnach konnten zum ersten Mal umfassende Erkenntnisse über das Zusammenwirken von röntgenographisch bestimmten Umformmechanismen und den mechanischen Eigenschaften inkrementell umgeformter Bleche gewonnen werden. Unter Zuhilfenahme von definierten Belastungsexperimenten wurden die Einflüsse der Eigenspannungen, Blechstärke und Verfestigung auf das Bauteilverhalten unter Last separat untersucht. Aus diesen Untersuchungen folgt, dass besonders die Zugeigenspannungen zusammen mit der Blechstärke eine wesentliche Rolle für die Optimierung des Bauteilverhaltens in der Anwendung inkrementell umgeformter Blechprodukte spielen.
Single point incremental forming (SPIF) is a flexible manufacturing process to produce complex shaped parts by the controlledmovement of a hemispherical forming tool. The mechanical properties of incrementally formed sheets in SPIF process are significantly influenced by the forming mechanisms acting during production. The present work demonstrates the first use of X-ray diffraction for a comprehensive, depth-resolved evaluation to determine the acting forming mechanisms during the SPIF process experimentally. Therefore, various part geometries were manufactured using a range of process parameters, including variation of the vertical step-down increment and the tool radius. Utilizing high-energy synchrotron radiation, the footprint of the forming mechanisms was identified by analyzing characteristic crystallize reorientations of incrementally formed EN AW-5083 and pure aluminium sheets. By comparison with defined reference states, the SPIF crystallite orientations were assigned to the forming mechanisms bending, stretching and shearing. The experimental findings show that increasing vertical step-down increments and decreasing tool radiuses result in a high fraction of bending deformation, which is reflected in higher absolute values of residual stresses in the final sheet metal parts. On the other hand, decreasing the vertical step-down increments while keeping the part height constant promotes shear deformation in the process, which is revealed particularly by a much more pronounced work hardening and increased reduction in sheet thickness. Furthermore, the component geometry also affects the forming mechanisms acting in the SPIF process. Therefore, larger component dimensions, which are associated with a higher bending moment, exhibit a stronger influence of the bending mechanism. Additionally, cyclic-loading experiments were performed to analyze the influence of forming-induced hardening, reduction in sheet thickness as well as residual stress states on the fatigue life. For the optimization of component performance in the final application, the interplay of tensile residual stresses and sheet thickness was found to have a significant impact.The findings shown in this study represent the first comprehensive experimental evaluation of forming mechanisms using X-ray diffraction in the SPIF process. They strengthen the understanding of the process and provide processing guidelines to improve mechanical and fatigue properties.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11469
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10351
Exam Date: 11-Jun-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 10-Jul-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): inkrementelle Umformung
Umformmechanismen
Textur
Eigenspannung
Röntgenbeugung
incremental forming
forming mechanism
texture
residual stresses
X-ray diffraction
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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