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EFB-Forschungsbericht Nr. 386

Ermittlung der Reibzahlen nach Vorbelastung

efb386

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Manuel Ludwig, M.Sc. Manuel Steitz, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt

110 Seiten (sw, 93 teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-428-5

Preis (Digital) EUR 67,00

Preis (Print) EUR 75,00

Zusammenfassung

Das Projekt hatte zum Ziel eine Reibzahldatenbasis in Abhängigkeit der Vorbelastung aufzubauen.
Ausgehend von Untersuchungen im industriellen Umfeld, bei denen ein vierstufiger Umformprozess untersucht und zwischen einzelnen Stufen die Schmierstoffmenge und Oberflächen gemessen wurden, konnte festgestellt werden, dass die Schmierstoff- und Oberflächenmessungen während der laufenden Produktion zu keinen reproduzierbaren und bewertbaren Ergebnissen führen.

Folglich wurde eine zweite Versuchsreihe im Labor des Instituts für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) durchgeführt.
Am Beispiel eines tiefgezogenen Rechtecknapfes konnte anhand der gemessenen Schmierstoffmenge und Oberflächenkennwerte auf die Aufdickungen und damit auch auf Kontaktverhältnisse während des Umformprozesses geschlossen werden.
Abgeleitet von den Ergebnissen dieser Messungen wurde eine Korrelationsanalyse zur Überführung der gemessenen Werte in ein Simulationsmodell durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die in Simulationen ermittelten Belastungshistorien an einzelnen Messstellen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen korrelieren.

Mit Hilfe der durchgeführten Simulationen und einer Vorversuchsreihe gelang es im Anschluss, geeignete Vorbelastungswerkzeuge für die definierte Vorbelastung von Blechen zu konstruieren und zu fertigen. Mit Hilfe der Werkzeuge und durch Integration in die Streifenziehanlage des PtUs konnte eine große Reibzahldatenbasis in Abhängigkeit der Belastungshistorie ermittelt werden. Hierbei zeigte sich, dass der Einfluss von verschiedenen Ziehsickengeometrien eine signifikante Erhöhung der Reibzahl bewirkt.

Bei der Verwendung von Zylinder-Ebene-Werkzeugen zeigte sich, dass sich die Reibzahl durch die Vorbelastung signifikant erhöht, mit höher werdendem Kontaktdruck die Oberfläche einglättet und bei dem höchsten Kontaktdruck der Reibwert wieder nahezu auf den Ausgangsreibwert abfällt. Die Untersuchungen anhand einer einachsigen Zugvordehnung zeigten, dass sich der Reibwert trotz der Vordehnung in Abhängigkeit der aufgebrachten Dehnung verringert. Dies wird damit begründet, dass sich der Schmierstoff besser in der sich aufrauenden Oberfläche durch die Zugvorbelastung einlagern kann und damit als Schmierstoffreservoir während der Umformung dient.

Die Übertragung der Ergebnisse von den Untersuchungen mit dem Prelube-Öl auf ein Ziehöl zeigen vergleichbare Ergebnisse. Bei der Verwendung von einem Festschmierstoff hingegen erhöht sich auch die Reibzahl bei Vorbelastung im einachsigen Zugbereich.
Im Weiteren wurden die ermittelten Reibzahldatensätze interpoliert und zur Verwendung für die Simulation vorbereitet.

Mit der experimentellen Datenbasis ist nun der Grundstein gelegt, um in weiterführenden Arbeiten die sich als sehr komplex ergebenden Integrationen in Simulationsmodelle voranzutreiben und damit einen weiteren Einflussparameter auf die Reibzahlen berücksichtigen zu können.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Ermittlung der Reibzahlen nach Vorbelastung“ wurde unter der Fördernummer AiF 16783N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 386 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The goal of this project was to build up a database of friction coefficients according to the preloading of the material. Investigations on the basis of a four-stage forming process indicated that measurements of the amount of lubricant and the surface topography during the current production are not reproducible in an industrial environment. Consequently, a second series of experiments was carried out in the laboratory of the Institute for Production Engineering and Forming Machines (PtU).

Using the example of a deep drawn rectangular cup, the amount of lubricant and the surface characteristics allowed to deduce “thickening” and, therefore, the contact conditions during the forming process.Derived from the results of these measurements a correlation analysis was carried out in order to transfer the measured values into a simulation model. It could be found that the “loading history” of single elements in the simulation correlate well with the experimental results.

By means of the conducted simulations and preliminary experiments, it was possible to design and build appropriate preloading tools for the defined preloading of sheet metal. By using them in the strip drawing test stand of PtU, a database of friction coefficients according to the preloading was determined. The results show that the influence of different geometries of draw beads caused a significant increase of the coefficient of friction.

Using a cylinder-flat-tool for the preloading the sheet metal led to an increase of friction. The surface smoothes increasingly with higher contact pressures until, at the highest pressure, the coefficient of friction nearly falls down to the initial value of the coefficient of friction.

The investigation with an uniaxial preloading by tensile strain showed, that the coefficient of friction decreases despite of the preloading. This effect can be explained by the roughening of the surface as a result of the tensile strain. In this case, the rough surface works like a lubricant reservoir during the forming process.

The application of a drawing oil instead of a prelube-oil showed comparable results. Using a solid lubricant the coefficient of friction increased even after preloading the material with uniaxial tensile strain.Afterwards, the determined data set of friction coefficients was interpolated and prepared for the use in simulations.

The experimental database now serves as a basis to realize the integration into simulation models and to consider a further parameter which is influencing the coefficient of friction.
The goal of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellen

1     Zusammenfassung
2     Hintergrund Forschungsvorhaben
2.1     Ausgangssituation und Anlass für das Forschungsprojekt
2.2     Anknüpfungspunkte aus vorausgegangenen Forschungsprojekten
3     Motivation und Zielsetzung
4     Stand der Technik
4.1     Kombiniertes Tief- und Streckziehen
4.2     Tribologische Verhältnisse beim Tief- und Streckziehen
4.3     Reibung
4.4     Tribologische Prüfmethoden in der Umformtechnik
4.5     Topografieänderungen durch freie und kontaktgebundene Umformung
4.6     Simulation des Tiefziehprozesses
4.7     Analyse der Oberflächenveränderungen
4.8     Analyse der Schmierstoffverteilungen
4.9     Zusammenfassende Bewertung des Stands der Technik
5     Vorgehensweise
5.1     Arbeitspakete
5.1.1     AP I: Ermittlung von Belastungshistorien beim Tiefziehen
5.1.2     AP II: Ableiten von Werkzeugkonstruktionen für die gezielte Einstellung von Vorbelastungen
5.1.3     AP III: Ermittlung von Reibzahlen vorbelasteter Oberflächen im Streifenziehversuch
5.2     Beschreibung der verwendeten Anlagen
5.2.1     Reibversuchsanlage
5.2.2     Servopresse Synchropress
5.3     Messmethoden und Messmittel
5.3.1     3D-Vermessung der Oberflächentopografie
5.3.2     Bestimmung der Rauigkeit mittels konfokaler Weißlichtmikroskopie
5.3.3     Schmierstoffauflagensensor LUBRImini
6     Ermittlung von Belastungshistorien im Tiefziehprozess
6.1     Experimentelle Ermittlung der Belastungshistorien
6.1.1     Schmierstoffmengen- und Oberflächenmessungen im industriellen Umfeld
6.1.2     Schmierstoffmengen- und Oberflächenmessungen im Laborversuch
6.2     Ermittlung von Belastungshistorien in Simulationen
6.2.1     Simulation vierstufiger Umformprozess
6.2.2     Simulation Rechtecknapf
6.3     Korrelationsanalyse zwischen experimentell und numerisch ermittelter Daten
6.3.1     Korrelationsanalyse zwischen Oberfläche und Schmierstoffmenge
6.3.2     Korrelationsanalyse
7     Konstruktion und Fertigung von Vorbelastungswerkzeugen zur definierten Vorbelastung
7.1     Vorüberlegungen und Auswahl geeigneter Vorbelastungswerkzeuge
8     Ermittlung von Reibzahlen auf definiert vorbelasteten Blechen
8.1     Vorgehen bei der Ermittlung der Reibzahlen
8.2     Versuchsphase 1
8.2.1     Ermittlung von Referenzreibwerten (ohne Vorbelastungen)
8.2.2     Ermittlung vorbelastungsabhängiger Reibwertdatensätze
8.3     Versuchsphase 2
8.3.1     Versuche mit Schmierstoff KTLN16
8.3.2     Versuche mit Schmierstoff Hotmelt E1
9     Ermittlung von Zusammenhängen für die Reibzahlveränderung
9.1     Interpolation der Versuchsdaten zu Reibzahlkennfeldern
9.2     Interpolation der Versuchsdaten durch einen Exponentenansatz
10     Simulationen mit ermittelten Reibzahldatensätzen
11     Nutzen der Ergebnisse für KMU
12     Literaturverzeichnis