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EFB-Forschungsbericht Nr. 200

Tribologische Untersuchung des Abriebverhaltens verzinkter Tiefziehbleche

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

130 Seiten (sw 197 Abb., 31 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-156-7

Preis (Digital) EUR 64,00

Preis (Print) EUR 71,70

Zusammenfassung

Die grundlegende Untersuchung des Abriebverhalten verzinkter Bleche und ihre Beschichtungseigenschaften (Reibungs-, Verschleiß- und Abriebuntersuchungen) war Ziel dieses Vorhabens, um das Abriebphänomen beschichteter Feinbleche wissenschaftlich weiter zu durchdringen und das Verständnis der vorliegenden Reib- und Verschleißmechanismen der Zinkbeschichtungen zu erweitern.

Zunächst wurde eine Prüfmethode weiterentwickelt und optimiert, die mit ihrem Prinzip des intermittierenden Dauerhubes im offenen System eine hervorragende Nachbildung der spezifischen Presswerkbedingungen ermöglicht. Insbesondere die aufgrund der Adhäsionsneigungen und Kaltverschweißungen auftretenden Abrieberscheinungen, die eindeutig eine Funktion der Stückzahl darstellen, lassen sich mit den bisherigen Einzelversuchen nur bedingt untersuchen. Dies gibt dem Anwender die Möglichkeit, das Abriebverhalten der in der Produktion eingesetzten beschichteten Feinbleche quantitativ, reproduzierbar und unter möglichst praxisnahen Laborbedingungen zu bewerten.

Parallel dazu wurde eine systematische theoretische Verifizierung der verschiedenen Parameter an einem FE-Ziehsickenmodell durchgeführt. Diese trug zu einem tieferen Verständnis der örtlichen Beanspruchungen bei und half, wichtige Einflussgrößen auf den Prozess zu identifizieren. Als wesentlichste Parameter stellten sich die Blechstärke, der Blechwerkstoff und die Eindringtiefe der Ziehsicke heraus, die das für die An- bzw. Rückbiegung des Bleches erforderliche Biegemoment beeinflussen. Dieses stützt sich am Werkzeug über Kontaktkräfte ab und ruft Kontaktnormalspannungsspitzen an allen Biegestützstellen im Werkzeug hervor.

Die folgende grundlagenorientierte Untersuchung des Abriebs zielte darauf ab, den Einfluss sowohl der verschiedenen Systemparameter (Blechbeschichtung, Blechrauheit, Werkzeugwerkstoff und –beschichtung, Schmierstoff) als auch der technologischen Parameter (Werkzeuggeometrie, Beanspruchung) auf das Abriebverhalten zu identifizieren und quantitativ zu beschreiben. Begleitend zu den Versuchen wurden Oberflächenuntersuchungen durchgeführt: Mikroskopische Untersuchungen und REM-Aufnahmen der Werkzeug- und Blechoberflächen nach den Versuchen ergänzen diese Aussagen.

Als relevante Einflussfaktoren auf den Zinkabrieb konnten vor allem der Werkzeugwerkstoff, sein Oberflächenfinish bis hin zum Tuschieren der Kontaktspannungspeaks, die Beschichtungsart der Bleche sowie die technologischen Prüfbedingungen bis zum Erreichen der übertragbaren Maximalspannungen eines Werkstoffs identifiziert werden. Die getestete CrN-Schicht und das Plasmanitrieren hatten auf den Abrieb einen eher negativen Einfluss aufgrund höherer Rauheitskennwerte, auch der Einfluss des Schmierstoffs war weniger relevant.

Als Erklärung für die hohen Abriebmengen und die häufig auftretenden Aufschweißungen beim GGG 70 L können die durch die Oberflächenbearbeitung freigelegten Poren der Graphiteinschlüsse dienen. Diese füllen sich im Laufe der Tests mit Zinkablagerungen und bei Überschreitung gewisser Grenzwerte bilden sich Aufschweißungen und Flitter. Hier kommt es im Bereich der durch die FEM-Berechnungen aufgezeigten Kontaktspannungsspitzen offenbar zu einer Überlagerung von Makro- und Mikrokontaktspannungsspitzen an den Kraterrändern der Poren, was bei Erreichen kritischer Grenzwerte zur Bildung von Aufschweißungen führt.

Als Kriterien für eine Reduzierung des Abriebs können vor allem eine sorgfältige Oberflächenbearbeitung in Blechflussrichtung bis hin zu einem geometrischen Eintuschieren der durch die FEM-Analyse aufgezeigten Kontaktspannungsspitzen am Ziehsickenkanal und die Vermeidung kritischer Grenzwerte von Ziehsickentiefe und Flächenpressung bei Gusswerkzeugen genannt werden. In hochbelasteten Bereichen bietet sich der Einsatz von 1.2379 an, wobei feuerverzinkten Blechen dann auch noch eine Schmierstoffminimierung möglich ist.

Das Forschungsvorhaben „Tribologische Untersuchung des Abriebverhaltens verzinkter Tiefziehbleche“ wurde unter der Fördernummer AiF 12527N 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. 200 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Abstract

In the automotive industry, galvanized sheet is increasingly used to improve the long-term
quality of automotive bodies. However, frequent abrasion of the zinc coating during the forming
process affects the quality of the forming parts as well as the stability of the process. The
Institute for Production Engineering and Forming Machines used a draw bead test to investigate
the abrasion behaviour of zinc-coated steel sheets. As the first step, this new method
was optimised to guarantee an exact reproducibility of results.

To better understand the process in the forming zone, it is important to have thorough knowledge
about the local contact normal stresses and the strains of the surfaces. Finite Element
Analysis (FEA) with MARC was used to show the actual contact normal stress. The bending
moment, which is necessary to form the sheet metal, has to be supported by the tool. Thus,
an area of high contact normal stress can be located on each radius of the draw bead.

Variation of special parameters demonstrates that the size and location of those peaks depend
mainly on sheet material and thickness. The depth of penetration of the draw bead rod
also has a clear influence. In contrast, the friction coefficient and the tool pressure play a less
important role. The calculated strains are caused by the geometric bending along the small
radii. When the sheet metal reaches the last part of the draw bead, additional strains, which
depend on the stress condition, are superimposed.

The experimental investigation program tested various sheet metal materials with different
coatings in combination with a number of tools, tool coatings, and lubricants with different
technological parameters. The measured strains and stresses agree with the calculated results,
but the effects are higher than those found by FE-Analysis. The locations of the peaks
for the calculated contact normal stresses correspond to the observed tool wear.

The results show the significant influence of tool surface, tool material, and geometrical parameters
on zinc abrasion. To avoid zinc removal during forming, the roughness of the tools
should be lower than Rz = 1 µm and the surface finish should be in the same direction as the
flow of the sheet metal. The high contact stress peaks shown by the FE-Analysis are mainly
responsible for the abrasion of zinc coatings. These peaks can be reduced by a geometrical
optimisation of the stress peak lines between radii and flat surfaces and consequently, zinc
removal during forming can be avoided.   

Inhalt

1 Einleitung
2 Ausgangssituation
2.1 Stand der Forschung
2.1.1 Tribologie des Karosserieteilziehens
2.1.2 Tribologische Prüfmethoden
2.1.3 Prüfmethoden für das Abriebverhalten
2.1.4 Neue Prüfmethode für das Abriebverhalten
2.2 Angestrebtes Forschungsziel
3 Numerische Simulation einer Ziehsicke
3.1 Beschreibung des verwendeten FE-Modells
3.1.1 Geometrie
3.1.2 Randbedingungen
3.1.3 Materialeigenschaften
3.1.4 Kontaktdefinitionen
3.1.5 Zeitliche Diskretisierung und Optimierung
3.2 Untersuchungen am Referenzmodell
3.2.1 Parameter des Referenzmodells
3.2.2 Kontaktnormalspannungen
3.2.3 Dehnungen
3.3 Sensitivitätsanalyse
3.3.1 Variationsplan
3.3.2 Blechwerkstoff
3.3.3 Blechstärke
3.3.4 Reibzahl
3.3.5 Niederhalterdruck
3.3.6 Eindringtiefe
3.4 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse
4 Optimierung der Prüfmethode
4.1 Versuchsablauf und Auswertemethodik
4.2 Test der neuen Prüfmethode
4.3 Konstruktion und Bau einer Entgratvorrichtung
5 Abrieb- und Verschleißversuche
5.1 Abstimmung der Versuchsmatrix
5.2 Einstellversuche
5.3 Werkzeugoberflächen- und -werkstoffvariationen
5.3.1 Oberflächenvariationen für GGG 70 L und 1.2379
5.3.2 Oberflächenuntersuchungen der Werkzeuge
5.3.3 Oberflächenuntersuchungen der Bleche
5.3.4 Variation des Werkzeugwerkstoffs mit Drylube
5.4 Variation der Schmierstoffmenge
5.4.1 Schmierstoffvariation bei GGG 70 L
5.4.2 Schmierstoffvariation bei 1.2379
5.5 Maximalkraftversuche mit verschiedenen Ziehsickentiefen
6 Versuchsprogramm
6.1 Variation der Werkzeugwerkstoffe unter Maximalbelastung
6.1.1 1.2379 poliert
6.1.2 GGG 70 L bandgeschliffen
6.1.3 REM-Aufnahmen der Stahl- und Gussoberflächen
6.2 Variation der Werkzeugbeschichtungen
6.2.1 GGG 70 L plasmanitriert
6.2.2 Chromnitrit-Beschichtung auf 1.2379
6.3 Variation der Werkzeuggeometrie
6.3.1 Variation des Ziehsickeneinlaufradius
6.3.2 Oberflächenuntersuchungen
6.4 Ergänzungsversuche mit GGG 70 L und 1.2379
6.5 Versuche mit elektrolytisch verzinktem Material
6.5.1 Versuche mit DC 05 ZE auf 1.2379 und GGG 70 L
6.5.2 ZStE 220 BH ZE mit 1.2379 und GGG 70 L
6.5.3 Oberflächenuntersuchungen
6.6 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Literaturverzeichnis