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EFB-Forschungsbericht Nr. 468

Standmengenvorhersage von Gleitschichten auf Umformwerkzeugen

efb468

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M.Sc. Amer Almohallami, Dipl.-Ing. Moritz Micke, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, M.Eng. Christin Lummer, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

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

ISBN: 978-3-86776-518-3

Preis (Digital) EUR 67,00

Preis (Print) EUR 76,00

Zusammenfassung

Der Anteil an hoch- und höchstfesten Stählen der zu verarbeitenden Materialien in der Umformtechnik nimmt stetig zu. Damit einhergehend steigen die benötigten Umformkräfte und die Belastungen der Umformwerkzeuge.

Ein weiteres aktuelles Thema in der Umformtechnik ist das Bestreben den Schmierstoffeinsatz zu verringern. Flüssigschmierstoffe werden aufgrund von Aspekten der Arbeitssicherheit und des Umwelteinflusses genauer betrachtet.

Ein Ansatz, beide Themen zu adressieren, ist die Beschichtung von Umformwerkzeugen mit einer Kombination aus Gleitschichten und Hartstoffschichten.

Reibungsreduzierende Effekte der Gleitschichten (Reibkoeffizienten von 0,05 – 0,08) vergrößern das Prozessfenster und führen zu einer Reduzierung bzw. zum Verzicht des Schmierstoffeinsatzes. Das Umformwerkzeug wird durch die Hartstoffschicht vor Verschleiß geschützt. Im Prozess kommt es zum sukzessiven Abtrag der Gleitschichten. Bevor es zum Verschleiß des eigentlichen Werkzeuges kommt, lassen sich die restlichen Schichtbestandteile entfernen und das Werkzeug neu beschichten. Die Zyklen zur Neubeschichtung sind abhängig von den Prozessparametern und schwer planbar.

Im Rahmen des Projektes „Standmengenvorhersage von Gleitschichten auf Umformwerk-zeugen" wurde eine Prüfmethode auf Basis der statistischen Versuchsplanung zur Charakterisierung des komplexen Abtragverhaltens von Gleitschichten entwickelt, die in der Lage ist, umformspezifische Belastungen im Bereich des Ziehringradius zu berücksichtigen. Des Weiteren wurde ein zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt, das es erlaubt, einen Schichtabtrag im µm-Bereich zu quantifizieren.

Auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurden eine Standmengen- und eine Abtragsfunktion ermittelt. Aus den Funktionen geht hervor, dass der Verschleiß mit steigender Flächenpressung und sinkender Relativgeschwindigkeit ansteigt und die Standmenge demzufolge sinkt. Aufgrund der überwiegend linearen Zusammenhänge zwischen Standmenge/Schichtabtrag und den Prozessparametern Relativgeschwindigkeit und Flächenpressung, konnte ein verkürzter Versuchsplan aufgestellt werden, mit dem sich das Modell parametrisieren lässt.

Diese Funktionen lassen sich mit Hilfe einer Subroutine in eine Umformsimulation einbinden und Standmengen sowie der Verschleiß nach einem definierten Verschleißweg voraussagen.

Das IGF-Vorhaben „Standmengenvorhersage von Gleitschichten auf Umformwerkzeugen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18347N 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. 468 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The share of high-strength and ultra-high-strength steels of the materials to be processed in the forming technology is steadily increasing. As a result, the required forming forces and the stresses on the forming tools are increasing. Liquid lubricants are evaluated more closely due to aspects of work place safety and environmental impact.

One approach to address both topics is to coat forming tools with a combination of dry lubricant slide layers and hard material layers. Friction-reducing effects of the slide layers (friction coefficients of 0.05 - 0.08) increase the process window and lead to a reduction or to the elimination of the liquid lubricants. The forming tool becomes wear-resistant by the use of the hard coating layer. During a forming the process, the dry lubricant slide layers are successively removed. At the end of the coating life time the remaining layer components are chemically removed and the tool is recoated before the wear of the actual tool occurs. The cycles for the recoating process depend on the process parameters and are difficult to plan.

Within the scope of the project "Life-time prediction of slide layers on forming tools", a test method based on the design of experiments (DoE) method for the characterization of the complex ablation behavior of slide layers was developed. The developed method allows taking deep drawing specific loads at the radius of the forming die into account. Further-more, a non-destructive test method was qualified, which allows to measure a layer removal in the µm-range.

On the basis of the experimental results, a life time and an ablation function were deter-mined. The functions show that the wear increases with increasing surface pressure, a decreasing relative speed. The coating life time decreases consequently. Due to the predominant linear relationships between the life time/layer removal and the process parameters relative speed and surface pressure, a shortened experimental plan could be set up. With this plan, the model can be parametrized.

The experimentally determined life time and ablation functions can be integrated into a forming simulation by means of a subroutine. The coating life time and the wear after a defined wear path can be predicted.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Reibung und Verschleiß
2.2 Testverfahren für Reibwert- und Verschleißmessungen
2.2.1 Streifenziehversuch mit Umlenkung
2.3 Kontaktbedingungen während eines Umformprozesses am Ziehringradius
2.4 Molybdändisulfid als Verschleißschutzschicht
2.5 Statistische Versuchsplanung (DoE)
2.5.1 Grundlagen und Begriffe
2.6 Versuchspläne
2.7 Forschungsziele
2.8 Vorgehensweise
3 Durchgeführte Arbeiten
3.1 Experimenteller Aufbau
3.2 Reib- und Verschleißuntersuchungen (IFUM)
3.2.1 Versuchsplanung
3.3 Verschleißuntersuchungen
3.3.1 Qualitative Bewertung des Verschleißbildes
3.3.2 Auswertekriterien während der Verschleißuntersuchungen
3.4 Prüfung der verschleißabhängigen Schichtveränderungen
3.5 Untersuchung des Abtrags und der Oberflächengüte
3.6 Auswertung der lokalen Standmengen
3.7 Erstellung der Abtragsfunktion und des numerischen Modells
3.8 Verkürzung der Versuchsmatrix
3.9 Verschleißuntersuchung an funktionsähnlicher Schicht
4 Ergebnisse
5 Projektauswertung
5.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
5.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literatur