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EFB-Forschungsbericht Nr. 442

Schneller Werkzeugverschleissversuch für das Tief- und Streckziehen von Stahlblechen

efb442

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Masood Jalanesh, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Universität Hannover - Prof. Dr. Günter Bräuer, Dipl.-Ing. Martin Weber, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik Braunschweig

100 Seiten (sw, 84 Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-490-2

Preis (Digital) EUR 46,76

Preis (Print) EUR 58,88

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde eine Prüfmethodik entwickelt, mit der es möglich ist, den Werkzeugverschleiß beim Tief- und Streckziehen von Stahlblechen im Bereich der Ziehkante schnell und kosteneffizient nachzubilden. Die Prüfmethodik dient zur vergleichenden Bewertung verschiedener Werkzeugwerkstoffe untereinander. Dies wird durch die gezielte Zugabe von geeigneten verschleißinitiierenden Partikeln erreicht.

Zunächst wurden dafür am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) Untersuchungen zur Vorausauswahl geeigneter Partikel mit einem Hochlasttribometer durchgeführt. Ziel war es, mit Kugel-Scheibe-Versuchen Partikelwerkstoffe mit definierter Form und Größe zu identifizieren, die ein ähnliches Verschleißbild wie bei einer Versuchs-durchführung ohne Verschleißinitiator in einer deutlich kürzeren Zeit erzeugen. 

Die ausgewählten Partikel wurden anschließend zur Verschleißinitiierung für die Streifen-ziehversuche verwendet. Dazu wurde ein vorhandener Verschleißprüfstand so modifiziert, dass ein dosierter Auftrag sowohl von Partikeln als auch von Schmierstoff auf den vorher gereinigten Blechwerkstoff möglich ist.

Nach der Optimierung der Prüfparameter konnte mittels der verschleißinitiierenden Partikel innerhalb von 50 Hüben (Prüfzyklen) mit einer Prüfdauer von ca. 2,5 min ein ähnliches Verschleißbild erzeugt werden, wie beim Referenzversuch nach ca. 94.000 Hüben.

Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse konnte aufgezeigt werden, dass der Test zur vergleichenden Untersuchung des Verschleißverhaltens verschiedener Werkzeugwerkstoffe in Abhängigkeit von ihrer Wärmbehandlung, einer aufgebrachten Beschichtung und dem verwendeten Blechwerkstoff geeignet ist.

Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bestätigte das hohe Einsparpotenzial der neuen Prüfmethodik. Während bei der konventionellen Verschleißprüfung für jeden Werkzeug-werkstoff bis zu 1,8 t in Form von Spaltband aus Stahlblech und eine Versuchszeit von mehr als zwei Wochen mit entsprechendem Personalaufwand benötigt wird, konnte durch den Zusatz geeigneter verschleißinitiierender Partikel in die Kontaktzone zwischen Werkzeug und Blech die Prüfdauer auf 2,5 min und der Blechverbrauch auf weniger als ein Kilogramm reduziert werden. Das typische Verschleißverhalten der Werkstoffe bleibt dabei erhalten.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Schneller Werkzeugverschleissversuch für das Tief- und Streckziehen von Stahlblechen" wurde unter der Fördernummer AiF 18032N 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. 442 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the frame of this research project, a fast and cost effective test procedure and methodology for a comparative evaluation of tool wear in deep and stretch drawing forming applications of steel sheets was developed. The developed methodology allows a rating of the wear resistance of different forming tool materials in comparison to a reference material by a controlled addition of suitable abrasive wear-initiating particles.

The development started with investigations for the determination of suitable abrasive particles with tests in a high load tribometer at the Fraunhofer-Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST). The aim of these pin-on-disc tests with different abrasive particles was to obtain wear patterns comparable to those received in tests without wear-initiating particles, but in distinctly less time. With the obtained tests results an identification of suitable abrasive materials with feasible particle dimensions and geometry was possible.

Subsequently, the identified abrasive particles were used for wear initiating and intensification in a strip drawing test. An existing wear test bench was modified to the effect that a controlled quantity of particles as well as lubricant could be applied to the pre-cleaned steel material stripes.

After an optimisation of the test parameters and using the appropriate wear initiation particles, wear patterns comparable to those occurring after 94,000 cycles without additional abrasive particles could be reached already after 50 cycles and within approx. 2.5 minutes.

A sensitivity analysis revealed that the developed test methodology is suitable for a comparative investigation and rating of the wear behaviour of different forming tool materials depending on their heat treatment, their hardness and wear resistant tool coating and the respective sheet material used.

A profitability assessment confirmed the high savings potential of the developed new test methodology. While in conventional strip-drawing wear-test procedures up to 1.8 tons of steel sheet material and a test time of about to 2 weeks are necessary for the evaluation of every tool material, the sheet material consumption could be reduced to less than 1 kilogram and the testing time to only 2.5 minutes by adding suitable wear-initiating particles in the contact area between sheet material and tool surface. The typical wear behaviour of the different materials was preserved.
The objective of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Zusammenfassung
Summary
1 Stand der Technik
1.1 Tribologie
1.1.1 Reibung
1.1.2 Bestimmung der Oberflächengüte
1.2 Werkzeugverschleiß
1.3 Maßnahmen zur Reduzierung von Werkzeugverschleiß
1.4 Modellverschleißversuche
1.4.1 Prozessferne Verschleißprüfstände
1.4.2 Prozessnahe Verschleißprüfstände
2 Zielsetzung und Vorgehensweise
3 Vorauswahl geeigneter Partikel mit dem Hochlasttribometer
3.1 Kenngrößen zur Beschreibung der Partikel
3.2 Versuche mit dem Hochlasttribometer
3.2.1 Ergebnisse der Tribometerversuche mit Scheibenwerkstoff 1.2379
3.2.2 Ergebnisse der Tribometerversuche mit dem Kugelwerkstoff 1.2379
4 Umbaumaßnahmen am IFUM Verschleißprüfstand
4.1 Modifizierte Anlage
4.1.1 Partikelzufuhreinheit
4.1.2 Reinigungsstation
5 Versuche mit dem modifizierten VPS
5.1 Schaffung eines Referenzverschleißbildes
5.2 Festlegung eines Standardprüfzyklus
5.3 Auswirkung der konventionellen Versuchsdurchführung nach der Verschleißinitiierung
5.4 Erarbeitung eines Abbruchkriteriums
6 Anwendung der neuen Prüfmethodik
6.1 Einfluss von Härtungsfehlern
6.2 Einfluss von Beschichtungen
6.3 Einfluss der Blechwerkstoffe
6.4 Einfluss der Werkzeugwerkstoffe
6.5 Einfluss des Schmierstoffes
6.6 Zusammenfassung der Prozessgrenzen
6.7 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
7 Ergebnisse
7.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
7.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literaturverzeichnis
8.1 Normen und Richtlinien