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EFB-Forschungsbericht Nr. 230

Reduzierung des Adhäsionsverschleißes bei der Umformung von Aluminiumblechen

EFB230.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Gernot Nitzsche, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt

106 Seiten (Sw 110 Abb., 22 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-187-1

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 58,90

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Verständnis über die Verschleißmechanismen bei der Aluminiumumformung zu erweitern. Dabei stellt insbesondere der Einfluss örtlich hoher Umformtemperaturen auf den Adhäsionsverschleiß einen Untersuchungsschwerpunkt dar. Des weiteren sind Optimierungskonzepte zu entwickeln, mit denen die Adhäsionsneigung reduziert und somit das Verschleißverhalten verbessert werden kann. Um das Verständnis der Vorgänge in der Umformzone zu erweitern, wurden die mechanischen und thermischen Beanspruchungen mittels numerischer Simulation analysiert. Die Kontaktnormalspannungsverteilung zeigt ausgeprägte Spannungsspitzen an den Orten der An- und Rückbiegung am Ziehkantenradius.

Aufgrund der hier vorliegenden örtlich erhöhten Reibung sowie der an den Biegestellen entstehenden Umformwärme treten zusätzlich lokale Temperaturmaxima auf. Der Blechstreifen erreicht nach Durchlaufen des Ziehkantenradius eine maximale Temperatur, wobei der Temperaturanstieg zu 57% auf Reibarbeit und zu 43% auf Umformarbeit zurückzuführen ist. Die experimentell mittels IR-Thermografie erfasste Temperaturverteilung bestätigt die Simulationsergebnisse. Im Modellversuch wurden wesentliche Einflussgrößen auf den Adhäsionsverschleiß identifiziert, wobei einzelne Systemparameter (Blechwerkstoff, Werkzeugwerkstoff, -rauheit, Beschichtung und Schmierstoff) sowie technologische Parameter (Geometrie, mechanische Beanspruchung, Temperatur) variiert wurden.

Um Adhäsionsverschleiß hervorzurufen, muss lokaler Festkörperkontakt vorhanden sein, der im Wesentlichen durch den Schmierungszustand bestimmt wird. Dieser hängt von den Schmierstoffeigenschaften, der Schmierstoffmenge, der Temperatur, der Blechtexturierung und der Werkzeugoberflächentopografie ab. Untersuchungen mit variierter Schmierstoffmenge haben dies bestätigt. Während eine Menge von 1,5 g/m² ausreicht, um Adhäsionsentstehung zu vermeiden, kommt es bei 0,6 g/m² zu deutlichen Aluminiumanlagerungen am Werkzeug. Liegen jedoch erhöhte Temperaturen vor (> 50 °C), kommt es auch mit einer Schmierstoffmenge von 1,5 g/m² zur Adhäsionsbildung. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass sich die Schmierstoffeigenschaften mit der Temperatur verändern und zu einem lokalen Aufbrechen des Schmierfilmes führen. Die Orte der Adhäsion sind unterschiedlich, können jedoch mit den numerisch ermittelten Makrospannungen in Zusammenhang gestellt werden.

Eine Untersuchung der Werkzeugoberfläche unterhalb der Aufschweißungen hat zum Teil deutliche Riefen gezeigt. Diese können durch Partikel (Verschmutzungen, Abrieb der Oxidschicht, abgerissene Aufschweißungen) oder den generell vorhandenen abrasiven Verschleiß hervorgerufen worden sein und sind sowohl bei dem Guss- als auch dem Stahlwerkstoff zu finden. An den Kanten dieser Riefen treten möglicherweise Mikrospannungsspitzen auf, die sich den Makrospannungen überlagern.

Ein ähnlicher Mechanismus ist bei den Graphittälern des Gusswerkstoffes zu vermuten. Hier kommt es zu Anlagerungen des Aluminiums, die mit zunehmender Reiblänge anwachsen und das Graphittal vollständig ausfüllen. Ein weiteres Anwachsen führt auch hier zur Initialisierung größerer Aufschweißungen. Zur Reduzierung des Adhäsionsverschleißes müssen Maßnahmen getroffen werden, die den gesamten Beanspruchungszustand berücksichtigen. Dieser wird im Wesentlichen aus den wirkenden Kontaktspannungen im Makro- und Mikrobereich, dem Schmierungszustand sowie den wirkenden Temperaturen beschrieben. Neben einer ausreichenden Schmierstoffmenge ist eine Schmierstoffoptimierung bezüglich der Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen erforderlich.

Von den untersuchten Schmierstoffen kann kein geeigneter zur Adhäsionsvermeidung identifiziert werden. Dagegen weisen die Werkzeugbeschichtungen das Potenzial zur Adhäsionsvermeidung auf. Für die beiden untersuchten Werkzeugwerkstoffe zeigen insbesondere die amorphen Kohlenstoffschichten das insgesamt beste Reib- und Verschleißverhalten. Um die Gesamtbeanspruchung herabzusetzen, kann auch eine lokale Werkzeugkühlung sinnvoll sein.

Das Forschungsvorhaben „Reduzierung des Adhäsionsverschleißes bei der Umformung von Aluminiumblechen“ wurde unter der Fördernummer AiF 13313N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V)
mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 230 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich

Inhalt

1 Einleitung
2 Ausgangssituation
2.1 Stand der Forschung
2.1.1 Tribologie des Karosserieteilziehens
2.1.2 Verschleißmechanismen und Adhäsionsneigung bei der Aluminiumfertigung
2.2 Forschungsziel
2.3 Lösungsweg
3 Numerische Simulation
3.1 Modellbildung
3.2 Untersuchungen am Referenzmodell
3.3 Sensitivitätsanalyse
3.3.1 Variationsplan
3.3.2 Niederhalterpressung
3.3.3 Ziehgeschwindigkeit
3.3.4 Reibungskoeffizient
3.3.5 Blechstärke
3.3.6 Fließspannung
3.3.7 Ziehkantenradius
3.4 Ziehkantengeometrie mit Erwärmung
3.5 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse
4 Experimentelle Analyse der Temperaturen in der Umformzone
4.1 Verschleißprüfstand
4.2 Temperaturen in der Umformzone
4.3 Temperaturentwicklung bei Adhäsion
5 Verschleißversuche
5.1 Versuchsplan
5.2 Referenzsystem (Konfiguration A)
5.3 Variation der technologischen Parameter
5.3.1 Reiblänge
5.3.2 Niederhalterpressung
5.3.3 Ziehgeschwindigkeit
5.3.4 Werkzeugradius
5.3.5 Temperatur
5.4 Variation der Blecheigenschaften
5.5 Variation der Werkzeugeigenschaften
5.5.1 Werkzeugwerkstoff
5.5.2 Werkzeugrauheit
5.5.3 Werkzeugbeschichtung
5.6 Variation der Schmierung
5.6.1 Schmierstoffmenge
5.6.2 Schmierstoff
5.7 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
6 Zusammenfassung
7 Literaturverzeichnis