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EFB-Forschungsbericht Nr. 219

Galvanoschalen für die Blechumformung

EFB219.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Stefan Mütze, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

84 Seiten (sw 61, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-176-5

Preis (Digital) EUR 56,00

Preis (Print) EUR 63,10

Zusammenfassung

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden systematische Untersuchungen in Bezug auf die Eignung von Galvanoschalenwerkzeugen für die Blechumformung durchgeführt. Galvanoschalenwerkzeuge bestehen aus einer verschleißfesten Werkzeugaktivfläche (Nickel oder Nickellegierung) und einem Werkzeughinterbau aus einem polymeren Material (Kunststoff). Die Fertigungszeit für Galvanoschalenwerkzeuge bestimmt sich im wesentlichen durch den galvanischen Prozess. Die durchschnittliche Zeitdauer für die Herstellung einer Galvanoschale beträgt in Abhängigkeit der gewünschten Schalendicke und der Schalengeometrie vier bis sieben Wochen. Vorteilhaft hierbei ist jedoch, dass in einem elektrolytischen Bad in Abhängigkeit von der Größe mehrere Galvanoschalen zeitgleich hergestellt werden können.

Das Forschungsvorhaben beinhaltete als wesentliche Aufgabenschwerpunkte:

  • Ermittlung des Reibverhaltens
  • Ermittlung der Verschleißfestigkeit von Galvanoschalenwerkstoffen im Vergleich zu konventionellen Werkzeugwerkstoffen
  • Erstellung eines Anforderungskataloges an ein geeignetes Hinterbaumaterial
  • Untersuchung der Prozesseignung für das Tiefziehen von Feinblechen.

Bei experimentellen Untersuchungen zum Reibverhalten von Galvanoschalen konnte das teilweise günstigere tribologische Verhalten verschiedener Galvanoschalenwerkstoffe im Vergleich zu konventionellen Werkzeugwerkstoffen herausgestellt werden.

Die Verschleißversuche auf dem Prüfstand des IFUM Hannover zeigten, dass Galvanoschalenwerkzeuge ein sehr gutes Verschleißverhalten aufweisen und somit eine alternative Werkzeugtechnologie für die Fertigung mittlerer Serien (100.000 bis 150.000 Teile) darstellen.

Als bestens geeignete Hinterbaumaterialien wiesen die Untersuchungsergebnisse 3k- Gießsysteme auf Polyurethanbasis aus. Hinsichtlich der Art der Hafthilfenkonstruktion wurden mit eingalvanisierten Inserts und eingeschraubten Bolzen die besten Ergebnisse erzielt.

Ansatzweise wurden darüber hinaus geeignete Möglichkeiten zur Reparatur und Geometrieänderung diskutiert. Als geeignete Verfahren bieten sich hierbei span-abhebende Verfahren an. In Abhängigkeit des Änderungsaufwands kann darüber hinaus ebenfalls nahezu in beliebigem Ausmaß mit partiellen Einsätzen gearbeitet werden.

Die Tiefziehversuche ergaben gute Umformergebnisse mit beschichteten Aluminium- und höherfesten Stahlblechqualitäten. Im Rahmen der Praxisumsetzung wird derzeit bei einem Zulieferer für die Automobilindustrie mit einem Galvanoschalenwerkzeug erfolgreich produziert. Die aktuelle Produktionszahl beträgt 120.000 Blechteile. Der ermittelte Kostenvorteil eines Galvanowerkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug aus Gussmaterial beträgt nahezu 40 %.

Das Forschungsvorhaben „Galvanoschalen für die Blechumformung“ wurde unter der Fördernummer AiF 12918N 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. 219 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

Within the frame of this research project, systematic tests were carried out with respect to the appropriateness of galvano shell tools for sheet metal forming. Galvano shell tools consist of a wear resistant tool contact surface (out of nickel or a nickel alloy) and a rear tool section out of a polymeric material (plastic).

The production time for galvano shell tools is primarily determined by the galvanic process. The average period of time needed for the manufacture of a galvano shell is four to seven weeks. An advantage, however, is the fact that in an electrolytic bath several galvano shells depending on size can be produced simultaneously.

The research project focused on the following tasks:

  •  Determination of the friction behaviour
  •  Determination of the wear resistance of galvano shell materials in comparison with conventional tool materials
  • Determination of a catalogue of requirements for an appropriate material for rear tool sections
  • Examination of the appropriateness to the deep-drawing process

In experimental investigations on the friction behaviour of galvano shells, the partially more advantageous tribological behaviour of some galvano shell materials as compared to conventional tool materials could be demonstrated.
The wear resistance tests at the wear test rig of the IFUM in Hanover showed that galvano shell tools have a good friction behaviour and so are an alternative tool technology for the fabrication of middle series (100,000 to 150,000 parts).

The results of the tests proved three components cast systems on a polyurethane basis as the most suitable back part materials. As far as the adhesive agent construction is concerned, best results could be achieved with galvanized inserts and screwed down bolts.

In addition, suitable possibilities for repair and geometry change were discussed. Appropriate
methods for this are metal removing processes. Depending on the retooling conditions it is furthermore also possible to work with partial inserts.

The deep-drawing tests showed good forming results for coated aluminium alloys and super high strength sheet steels. Within the framework of practical realisation, a supplier for the car industry is currently successfully producing automotive parts by means of a galvano shell tool. The current output rates come to 120,000 parts and the calculated cost savings in comparison to a tool out of cast material amount to almost 40%.

Zusammenfassung

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation - Problemstellung
1.2 Zielstellung
1.3 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels - Vorgehensweise
2 Stand der Technik
2.1 Werkzeugkonzepte zum Tiefziehen von kleinen und mittleren Serien
2.1.1 Lamellierte Werkzeuge
2.1.2 Flexibles Streckformen und partielles Tiefziehen
2.1.3 Tiefziehwerkzeuge aus niedrigschmelzenden Legierungen
2.1.3.1 Zinn-Wismut-Legierungen
2.1.3.2 Mehrstoff-Aluminium-Bronzen (Legierungsbasis Cu – Al – Fe)
2.1.3.3 Aluminium-Zink-Legierungen
2.1.4 Kunststoffwerkzeuge
2.1.4.1 Epoxidharze (EP-Harze)
2.1.4.2 Polyurethan
2.1.4.3 Herstellung von Kunststoffwerkzeugen
2.1.5 Umformverfahren mit Wirkmedien
2.1.6 Galvanoschalen zum Tiefziehen
2.1.7 Werkstoffe für Galvanoschalen
2.1.8 Hinterbaumaterialien
2.2 Grundlagen des Tiefziehens
2.2.1 Spannungen und Kräfte beim Tiefziehen
2.2.1.1 Stempelkraft FSt
2.2.1.2 Niederhalterkraft FN
2.2.2 Werkzeuggeometrie
2.2.2.1 Ziehkantenradius rM
2.2.2.2 Stempelkantenradius rSt
2.2.2.3 Ziehspalt uZ
2.3 Tribologie beim Tiefziehen
2.3.1 Reibung
2.3.2 Experimentelle Ermittlung des Reibkoeffizienten
2.3.3 Verschleiß beim Tiefziehen
2.3.3.1 Oberflächenzerrüttung
2.3.3.2 Abrasionsverschleiß
2.3.3.3 Tribochemischer Verschleiß
2.3.3.4 Adhäsionsverschleiß
2.3.4 Ermittlung der Verschleißfestigkeit von Tiefziehwerkzeugen
3 Experimentelle Untersuchungen
3.1 Untersuchungen zum Reibverhalten – Bestimmung von Reibkoeffizienten
3.1.1 Untersuchte Materialen
3.1.2 Ergebnisse der Reibwertuntersuchungen
3.2 Untersuchungen zur Dauer-, Verbindungsfestigkeit des Hinterbaus
3.2.1 Herstellung der Probenkörper für die Dauer-, Verbindungsfestigkeitsuntersuchungen
3.2.2 Ergebnisse der Dauer-, Verbindungsfestigkeitsuntersuchungen
3.3 Modelltiefziehversuche
3.3.1 Herstellung von Modellwerkzeugen
3.3.2 Ergebnisse der Modellversuche
3.4 Untersuchungen zum Verschleißverhalten
3.4.1 Herstellung der Probenkörper für die Verschleißuntersuchung
3.4.2 Ergebnisse der Verschleißuntersuchung
3.5 Praxisumsetzung
3.5.1 Tiefziehversuche mittels praxisnaher Modellgeometrie am IFUM
4 Betrachtungen zu Reparatur- und Änderungsmöglichkeiten
5 Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit von Galvanoschalen
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Literaturverzeichnis
8 Bildanhang