Induction Assisted Single Point Incremental Forming of Advanced High Strength Steels

Induction Assisted Single Point Incremental Forming (IASPIF) is a die-less hot sheet metal forming. The IASPIF does not apply characteristic complex tooling like those applied in deep drawing and bending. In this thesis, induction heating was used to heat up the sheet while simultaneously forming with a tool. The research goal is to improve the formability of high strength steels by heating. The IASPIF consists of non-complicated set up that allows induction heating to be utilized through the coil inductor moved under the sheet and synchronized with the forming tool that moves on the upper side of the sheet. The advanced high strength steel alloys, DP980, DP600 and 22MnB5 steels, were investigated. The influence of induction heating on formability was evaluated by the maximum wall angle that can be achieved in a single pass. Additionally, tool diameter and tool feed rate was also varied. The most influencing parameters were tool feed rate, induction power, and the profile depth. A new forming strategy was also developed by control the heating temperature through coupling the formed profile depth with a successively increased tool feed rate. The forming forces of DP980 steel sheet, were reduced from 7 kN to 2.5 kN when forming process was performed at room and elevated temperature, respectively. Stretching stresses were developed during forming process causing a high reduction in the resulting wall part thickness. New findings in this investigation were the reverse relationship between the step-down depth and the thickness reduction percentage. The smaller the tool diameter, the better was the formability. The finite element simulation of the investigated forming process showed that the increase in heating temperature has a direct effect on rising the plastic strain from 0.2 at room temperature to 1.02 at 800 ◦ C. The maximum true strain achieved in the resulting wall part thickness was determined by FEM simulations and validated with experimental trials. The part shape accuracy was measured and the highest deflection was founded when the part was formed by the highest step-down depth. Moreover, the minimum deflection in the part shape was achieved by utilizing a high induction power in the experiments. Finally, the resulting mechanical properties of the 22MnB5 alloy sheet material were tailored during IASPIF. For this purpose, the sheets were locally heated by induction during the forming process and subsequently quenched at different rates. As a result, the produced tailored parts consist of three different regions, which consist of a ductile, transitional and hardened region. The proposed procedure allows forming and quenching at the same time without transfer and thus, process time was reduced.Die induktionsgestützte, inkrementelle Blechumformung (englisch: Induction Assisted Single-Point Incremental Forming IASPIF) ist Warmumformprozess, bei dem keine komplexen Werkzeuge wie beim Tiefziehen und Biegen benötigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die inkrementelle Umformung eines Bleches mit gleichzeitig ablaufender induktiver Erwärmung. Das Forschungsziel bestand in der Verbesserung der Umformbarkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen wie DP600, DP980 und 22MnB5 durch eine gezielte partielle Erwärmung. Der prinzipielle Aufbau des Versuchsstandes besteht aus einem Spuleninduktor, der unterhalb des umzuformenden Blechs platziert ist, und der synchron mit dem Werkzeug – einem Drückdorn – während des Umformvorganges verfährt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt bestand in der Ermittlung der Einflussgrößen auf den untersuchten IASPIF-Prozess. Für die Bewertung der Umformbarkeit wurden hierbei der maximal erreichbare Teilwandwinkel und die Profiltiefe, die in einem Umformdurchgang herstellbar waren, ermittelt und ausgewertet. Darüber hinaus konnten im Rahmen der Arbeit die Induktionsleistung des Generators, der Werkzeugdurchmesser und die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit als relevante Prozessparameter identifiziert werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigten die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und die Induktionsleistung einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Profiltiefe. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen konnte eine prozessangepasste Umformstrategie entwickelt werden, bei der eine konstante Erwärmungstemperatur durch das Koppeln der momentanen Profiltiefe mit einer sukzessiv steigenden Werkzeugvorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Weiterhin ließen sich die Kräfte bei der Umformung eines Stahlbleches aus DP980 von 7 kN (bei Raumtemperatur) auf 2,5 kN (bei erhöhter Temperatur) reduzieren. Aufgrund des mit einem Streckziehvorgang vergleichbaren Spannungszustandes während des Umformprozesses war eine starke Verringerung der resultierenden Wanddicke zu beobachten. Als neue Erkenntnis in dieser Untersuchung konnte die umgekehrte Beziehung zwischen der Zustelltiefe und dem Dickenreduktionsprozentsatz abgleitet werden. Aus der Finite - Elemente - Simulation des vorgestellten Umformprozesses wurde erkennbar, dass die Erhöhung der Erwärmungstemperatur einen direkten Einfluss auf die plastische Dehnung von 0,2 (bei Raumtemperatur) auf 1,02 (bei 800 °C) hat. Mittels der numerischen Simulation und der nachfolgenden experimentellen Validierung erfolgte darüber hinaus die Bestimmung der maximalen wahren Dehnung, die in der resultierenden Wanddicke erreicht wurde. Bei den Versuchen mit der größten Zustellung ließ sich durch die Bestimmung der Teileformgenauigkeit die höchste Abweichung von der Sollgeometrie CAD Modell feststellen. Abschließend wurde nachgewiesen, dass der IASPIF Prozess auch zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften wie der resultierenden mechanischen Eigenschaften des Blechmaterials aus 22MnB5 einsetzbar ist. Zu diesem Zweck wurden die Bleche während des Umformprozesses lokal induktiv erwärmt und anschließend zur Einstellung des gewünschten Gefüges bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgeschreckt