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EFB-Forschungsbericht Nr. 425

Verschleißfestigkeitskurven zur Beurteilung von Tribosystemen

efb425

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

108 Seiten (sw, 69 teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-472-8

Preis (Digital) EUR 53,05

Preis (Print) EUR 66,00

Zusammenfassung

Höher- und höchstfeste Blechwerkstoffe nehmen in der umformtechnischen Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, eine zunehmende Bedeutung ein. Durch diese Werkstoffe lassen sich beispielsweise Leichtbauanforderungen realisieren und Materialeinsparungen ermöglichen. Grundlage für diese Nutzungsmöglichkeiten sind die hohen Festigkeitswerte dieser Werkstoffe. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass infolge der hohen Festigkeit die Umformung dieser Werkstoffe erschwert wird. Hierdurch resultieren neue Herausforderungen für die produzierenden Betriebe. Zum einen besitzen die Werkstoffe in der Regel eine geringere Umformbarkeit, zum anderen treten aufgrund der hohen Festigkeiten höhere Belastungen der Werkzeuge auf. Die gesteigerten Belastungen haben wiederum erhöhte Verschleißraten und reduzierte Werkzeugstandzeiten zur Folge.

Zur Reduzierung von Verschleiß werden bei der Umformung höherlegierte Werkzeugwerkstoffe oder Werkzeugbeschichtungen eingesetzt wodurch gleichzeitig aber auch höhere Produktionskosten resultieren. Dabei ist die potenzielle Leistungssteigerung durch Beschichtungen oder alternative Werkstoffe in der Regel unbekannt. Hieraus entstehen Unsicherheiten in der Produktionsplanung und die Prozesssicherheit wird herabgesetzt, wodurch letztendlich ein erhebliches unternehmerisches Risiko für klein- und mittelständische Unternehmen entstehen kann.

Um Fragen zur Leistungsfähigkeit von Beschichtungen und Werkzeugwerkstoffen beurteilen zu können kommt experimentellen Verschleißuntersuchungen eine besondere Bedeutung zu, da umfangreiche Verschleißuntersuchungen in realen Produktionsprozessen praktisch nicht durchführbar sind. Um die Möglichkeiten experimenteller Verschleißuntersuchungen zu erweitern, wurde in diesem Forschungsvorhaben ein Monitoring-System entwickelt, das eine Auswertung der Verschleißentwicklung in einem Laborversuch ermöglicht. Als Laborversuch fand eine Variante des Streifenziehversuchs mit Ziehsickengeometrie Verwendung. Aufbauend auf den verbesserten Analysemöglichkeiten wurden die Verschleißentwicklung und die Standzeiten verschiedener Tribosysteme erforscht.

Hierzu erfolgte zu Beginn des Forschungsvorhabens die Entwicklung und Konstruktion eines Messsystems, das die Blechrauheit als Kenngröße für die Verschleißentwicklung während der experimentellen Untersuchungen im Prüfstand erfasst und auswertet.

Anschließend wurden experimentelle Verschleißuntersuchungen auf Basis des Streifenziehversuchs mit Ziehsickengeometrie mit drei Blechwerkstoffen bei drei abgestuften Belastungsniveaus durchgeführt. Auf Basis dieser Untersuchungen kann der Einfluss der Belastung auf Lebensdauer und Verschleißentwicklung dargestellt werden. Weitere Versuchsreihen dienten der Erforschung der Reproduzierbarkeit experimenteller Verschleißuntersuchungen. Die Untersuchungen zeigen, dass der Streifenziehversuch verlässliche Aussagen zu Standzeiten und zur Verschleißentwicklung ermöglicht.

Auf Basis dieser Ergebnisse wurde aus den experimentell ermittelten Datensätzen ein Kennfeld von Verschleißfestigkeitskennlinien abgeleitet. Hierdurch wird ein Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Tribosysteme ermöglicht. Darüber hinaus kann mit diesem Kennfeld der Einfluss der Festigkeit des verwendeten Blechwerkstoffs bzw. dessen metallurgischer Zusammensetzung auf die Verschleißentwicklung abgeschätzt werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verschleißfestigkeitskurven zur Beurteilung von Tribosystemen" wurde unter der Fördernummer AiF 17447N 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 425 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The use of high and advanced high strength materials increases in sheet metal forming industry, particularly in the automotive industry. Due to their high strength, these materials allow material savings and enable lightweight design. However, the high strength also complicates forming of these materials so that new challenges arise for the sheet metal forming industry: These materials usually have a lower formability and the higher strength causes higher loads on the forming tools. The increased loads result in increased wear rates and reduced tool life.

Alternative tool materials and coatings are used to reduce wear. However, these measures cause additional expenses. The potentially improved performance of coatings or alternative materials is usually unknown. As a result, there are uncertainties in production planning and process reliability is reduced. This can ultimately cause a significant business risk for small and medium sized enterprises.

Experimental wear tests are therefore of particular importance in order to assess questions concerning the performance of coatings and tool materials since extensive wear tests are not feasible in real production processes. To expand the possibilities of experimental wear tests, a monitoring system has been developed in this research project. It allows an evaluation of wear development in a laboratory experiment. A variation of the strip drawing test with draw bead geometry has been used as a laboratory test. Based on the improved evaluation capabilities, wear development and the life span of different tribological systems have been explored.

The experimental wear tests were carried with three different sheet metals with three graded load levels. Based on these tests, the influence of load on tool life and wear development can be represented. Further test series investigated the reproducibility of experimental wear tests. These tests show that the strip drawing test provides reliable information on tool life and the wear development.

Based on these results, a diagram of wear resistance characteristics has been derived from the experimental data sets. This diagram allows a comparison of the performance of various tribological systems. In addition, the influence of the strength of the sheet material or its metallurgical composition on the wear development can be estimated.

Zusammenfassung

Höher- und höchstfeste Blechwerkstoffe nehmen in der umformtechnischen Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, eine zunehmende Bedeutung ein. Durch diese Werkstoffe lassen sich beispielsweise Leichtbauanforderungen realisieren und Materialeinsparungen ermöglichen. Grundlage für diese Nutzungsmöglichkeiten sind die hohen Festigkeitswerte dieser Werkstoffe. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass infolge der hohen Festigkeit die Umformung dieser Werkstoffe erschwert wird. Hierdurch resultieren neue Herausforderungen für die produzierenden Betriebe. Zum einen besitzen die Werkstoffe in der Regel eine geringere Umformbarkeit, zum anderen treten aufgrund der hohen Festigkeiten höhere Belastungen der Werkzeuge auf. Die gesteigerten Belastungen haben wiederum erhöhte Verschleißraten und reduzierte Werkzeugstandzeiten zur Folge.

Zur Reduzierung von Verschleiß werden bei der Umformung höherlegierte Werkzeugwerkstoffe oder Werkzeugbeschichtungen eingesetzt wodurch gleichzeitig aber auch höhere Produktionskosten resultieren. Dabei ist die potenzielle Leistungssteigerung durch Beschichtungen oder alternative Werkstoffe in der Regel unbekannt. Hieraus entstehen Unsicherheiten in der Produktionsplanung und die Prozesssicherheit wird herabgesetzt, wodurch letztendlich ein erhebliches unternehmerisches Risiko für klein- und mittelständische Unternehmen entstehen kann.

Um Fragen zur Leistungsfähigkeit von Beschichtungen und Werkzeugwerkstoffen beurteilen zu können kommt experimentellen Verschleißuntersuchungen eine besondere Bedeutung zu, da umfangreiche Verschleißuntersuchungen in realen Produktionsprozessen praktisch nicht durchführbar sind. Um die Möglichkeiten experimenteller Verschleißuntersuchungen zu erweitern, wurde in diesem Forschungsvorhaben ein Monitoring-System entwickelt, das eine Auswertung der Verschleißentwicklung in einem Laborversuch ermöglicht. Als Laborversuch fand eine Variante des Streifenziehversuchs mit Ziehsickengeometrie Verwendung. Aufbauend auf den verbesserten Analysemöglichkeiten wurden die Verschleißentwicklung und die Standzeiten verschiedener Tribosysteme erforscht.

Hierzu erfolgte zu Beginn des Forschungsvorhabens die Entwicklung und Konstruktion eines Messsystems, das die Blechrauheit als Kenngröße für die Verschleißentwicklung während der experimentellen Untersuchungen im Prüfstand erfasst und auswertet.

Anschließend wurden experimentelle Verschleißuntersuchungen auf Basis des Streifenziehversuchs mit Ziehsickengeometrie mit drei Blechwerkstoffen bei drei abgestuften Belastungsniveaus durchgeführt. Auf Basis dieser Untersuchungen kann der Einfluss der Belastung auf Lebensdauer und Verschleißentwicklung dargestellt werden. Weitere Versuchsreihen dienten der Erforschung der Reproduzierbarkeit experimenteller Verschleißuntersuchungen. Die Untersuchungen zeigen, dass der Streifenziehversuch verlässliche Aussagen zu Standzeiten und zur Verschleißentwicklung ermöglicht.

Auf Basis dieser Ergebnisse wurde aus den experimentell ermittelten Datensätzen ein Kennfeld von Verschleißfestigkeitskennlinien abgeleitet. Hierdurch wird ein Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Tribosysteme ermöglicht. Darüber hinaus kann mit diesem Kennfeld der Einfluss der Festigkeit des verwendeten Blechwerkstoffs bzw. dessen metallurgischer Zusammensetzung auf die Verschleißentwicklung abgeschätzt werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verschleißfestigkeitskurven zur Beurteilung von Tribosystemen" wurde unter der Fördernummer AiF 17447N 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 425 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The use of high and advanced high strength materials increases in sheet metal forming industry, particularly in the automotive industry. Due to their high strength, these materials allow material savings and enable lightweight design. However, the high strength also complicates forming of these materials so that new challenges arise for the sheet metal forming industry: These materials usually have a lower formability and the higher strength causes higher loads on the forming tools. The increased loads result in increased wear rates and reduced tool life.

Alternative tool materials and coatings are used to reduce wear. However, these measures cause additional expenses. The potentially improved performance of coatings or alternative materials is usually unknown. As a result, there are uncertainties in production planning and process reliability is reduced. This can ultimately cause a significant business risk for small and medium sized enterprises.

Experimental wear tests are therefore of particular importance in order to assess questions concerning the performance of coatings and tool materials since extensive wear tests are not feasible in real production processes. To expand the possibilities of experimental wear tests, a monitoring system has been developed in this research project. It allows an evaluation of wear development in a laboratory experiment. A variation of the strip drawing test with draw bead geometry has been used as a laboratory test. Based on the improved evaluation capabilities, wear development and the life span of different tribological systems have been explored.

The experimental wear tests were carried with three different sheet metals with three graded load levels. Based on these tests, the influence of load on tool life and wear development can be represented. Further test series investigated the reproducibility of experimental wear tests. These tests show that the strip drawing test provides reliable information on tool life and the wear development.

Based on these results, a diagram of wear resistance characteristics has been derived from the experimental data sets. This diagram allows a comparison of the performance of various tribological systems. In addition, the influence of the strength of the sheet material or its metallurgical composition on the wear development can be estimated.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
1 Ausgangssituation und Anlass für den Forschungsantrag
2 Stand der Technik
2.1 Tief- und Streckziehen
2.2 Tribologie in der Umformtechnik
2.2.1 Reibung
2.2.2 Schmierung
2.2.3 Verschleiß
2.3 Verschleißmodell
2.4 Verschleißerfassung
2.5 Tribologische Prüfmethoden in der Blechumformung
2.6 Reproduzierbarkeit von Verschleißuntersuchungen
3 Vorgehensweise
4 Beschreibung der verwendeten Anlagen
4.1 Versuchseinrichtung
4.2 Versuchswerkzeug
4.3 Versuchsablauf
4.4 Rauheitsmessungen
4.5 Optische Messung der Oberflächentopographie
5 Voruntersuchungen und FE-Simulation
6 Umbau und Erweiterung des Prüfstandes
6.1 Temperaturerfassung
6.2 Konzepte für ein kontinuierliches Oberflächenmess-system
6.2.1 Konstruktion
6.2.2 Steuerung
6.3 Überprüfung der Messgenauigkeit
6.4 Experimentelle Erprobung
6.5 Fazit Monitoring-System
7 Experimentelle Verschleißuntersuchungen mit DP980
7.1 Verschleißuntersuchung mit hoher Belastung
7.2 Verschleißuntersuchung mit mittlerer Belastung
7.3 Verschleißuntersuchung mit niedriger Belastung
7.4 Vergleichende Betrachtung der Versuchsreihen mit DP980
8 Reproduzierbarkeit
8.1 Reproduzierbarkeit der Verschleißuntersuchungen bei hohem Lastniveau
8.2 Reproduzierbarkeit der Verschleißuntersuchungen bei mittlerem Lastniveau
8.3 Reproduzierbarkeit der Verschleißuntersuchungen bei niedrigem Lastniveau
8.4 Fazit der Reproduzierbarkeitsuntersuchungen
9 Verschleißuntersuchungen ZStE1000
9.1 Verschleißuntersuchung mit hoher Belastung
9.2 Verschleißuntersuchung mit mittlerem Lastniveau
9.3 Verschleißuntersuchung bei niedrigem Lastniveau
9.4 Fazit der Verschleißuntersuchungen mit ZStE1000
10 Verschleißfestigkeitskennlinien
10.1 Verschleißfestigkeitskennlinien für eine Variation des Blechwerkstoffs
10.2 Ergebnisse der Verschleißfestigkeitskennlinien
10.3 Referenzversuche
10.4 Stichversuch Schmierstoff
11 Ergebnisse
12 Fazit und Ausblick
13 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)
13.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse
13.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU
13.3 Handlungsrichtlinien
14 Literaturverzeichnis