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EFB-Forschungsbericht Nr. 392

Minimierung von temperaturinduziertem Zinkabrieb in Umformwerkzeugen

efb392

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Peter Sachnik, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

85 Seiten (sw, 40 teils farbige Abb., 1 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-436-0

Preis (Digital) EUR 53,95

Preis (Print) EUR 67,00

Zusammenfassung

Der zunehmende Einsatz von höher- und höchstfesten Stählen zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten erfolgt meist mit verzinkten Blechgüten, um einen besseren Korrosionsschutz zu gewährleisten. Durch diesen Trend kommt es infolge der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen unter anderem zu einem verstärkten Auftreten von Zinkabrieb und Zinkanlagerungen in den Werkzeugen. Lagern sich diese Zinkpartikel an der Werkzeugoberfläche an, hat dies erhebliche Auswirkungen auf das tribologische System. Die erhöhte Oberflächenrauigkeit kann zu Reißern führen.

Weiterhin kann die Bauteilgüte negativ beeinflusst werden (Druckstellen aufgrund von Zinkanlagerungen). Aktuell gibt es keine systematischen Untersuchungen des Temperatureinflusses für herkömmliche Blech- und Werkzeugwerkstoffe.

In diesem Projekt wurde ein Folgeverbundwerkzeug konstruiert, um eine konstant bleibende Temperatur während des Umformvorganges zu ermöglichen. Kombinationen von Blech- und Werkzeugwerkstoffen wurden bei unterschiedlichen Temperaturen quantitativ auf die Zinkabriebmenge getestet. Hierzu erfolgten bei jeder Temperatur 2000 Hübe. Für jede kritische Kombination aus Blech- und Werkzeugwerkstoff wurden fünf Versuche mit unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt.

Mit Hilfe der Methode der total-reflektierenden Röntgenfluoreszenz konnte die Menge von Zinkabrieb auf dem Werkzeugwerkstoff analysiert werden. Eine Tendenz zu geringerem Zinkabrieb bei niedrigeren Umformtemperaturen konnte festgestellt werden. Weiterführende Experimente bei Industriepartnern bestätigten den hohen Einfluss der Temperatur auf den Zinkabrieb. Mit den neuen Erkenntnissen lässt sich die Prozessstabilität von Pressen (speziell für tiefgezogenen Bauteile) signifikant erhöhen.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Minimierung von temperaturinduziertem Zinkabrieb in Umformwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16450N 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 392 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Due to the development of corrosion-resistant lightweight, today’s automotive manufacturers typically use zinc coated sheet metals in the forming process. However, zinc abrasion in industrial presses decreases the process stability and often causes interruption of the whole process. The application of high strength steels leads to a significant increase of the temperature due to the plastic work. So far a detailed, quantitative analysis of the relation between temperature and zinc abrasion is not available. Therefore, this paper examines the impact of the temperature on abrasion behaviour in sheet metal processes.

To achieve this, a follow composite tool was built. The deep drawing stage of this tool is connected to a cooling / heating system in order to obtain a constant temperature during the forming process. A variety of different galvanized sheet metals compared to commonly used tool materials has been tested. For each combination of materials five experiments at different temperatures were performed to determine the effect of the temperature on the zinc abrasion.

Applying the method of total reflection x-ray fluorescence (TXRF) the quantity of zinc abrasion was measured. A relation between low temperatures and reduced zinc abrasion can be clearly observed. Industrial experiments revealed that temperature exerts a high influence on the zinc abrasion. The new insights into the impact of the temperature show a significant way to lower the zinc abrasion and therefore increase the process stability in deep drawing processes.

Inhaltsverzeichnis   

1     Einleitung
2     Stand der Technik
2.1     Tribologische Verhältnisse beim Tiefziehen
2.2     Zinkabrieb in Umformwerkzeugen
2.2.1     Werkzeugwerkstoff und -oberfläche sowie -topographie
2.2.2     Schmierstoff
2.2.3     Blechoberfläche
2.2.4     Temperatur
2.3     Zusammenfassende Bewertung des Stands der Technik
3     Problemstellung und Lösungskonzept
3.1     Forschungsziel
3.2     Angestrebte Forschungsergebnisse
3.3     Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
4     Simulative Auslegung des Werkzeuges
4.1     Simulation der Kontaktnormalspannungen am Matrizeneinlaufradius
4.2     Thermomechanische Simulation des Umformprozesses
4.3     Temperaturverteilung an der Matrizenoberfläche
5     Konstruktive Änderungen am Folgeverbund-werkzeug
5.1     Funktionsprinzip des Versuchswerkzeuges
5.1.1     Gesamtaufbau des Versuchswerkzeuges
5.1.2     Technische Beschreibung der einzelnen Module
5.2     Temperierung des Versuchswerkzeuges
5.2.1     Integration der Kühl- und Heizkanäle
5.2.2     Temperiereinheit
6     Experimentelle Untersuchungen
6.1     Versuchsaufbau
6.2     Versuchsdurchführung
6.2.1     Werkzeugwerkstoffe
6.2.2     Blechwerkstoffe
6.2.3     Weitere Randbedingungen
7     Auswertung und Ableitung von Richtlinien
7.1     Makroskopische Auswertung der Abriebversuche
7.2     Mikroskopische Auswertung (Totalreflektierende Röntgenfluoreszenz)
8     Verifikationsversuche an einem Serienwerkzeug
8.1     Versuche am Serienwerkzeug „Federbeintopf“
8.1.1     Versuchsbeschreibung und -durchführung
8.1.2     Auswertung
8.2     Versuche Serienwerkzeug „Folgeverbundwerkzeug“
8.2.1     Versuchsbeschreibung und –durchführung
8.2.2     Auswertung
9     Ergebnisse und Ausblick
10     Bedeutung des Forschungsthemas für KMU
10.1     Nutzung der Forschungsergebnisse in KMU
10.2     Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
10.3     Aussagen zur industriellen Umsetzung der Ergebnisse
11     Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
12     Literaturverzeichnis