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EFB-Forschungsbericht Nr. 137

Ermittlung optimierter Oberflächenverhältnisse Werkzeug-Werkstück beim Tiefziehen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Hartmut Schulz-Marner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik, Lehrstuhl für Urform- und Umformtechnik der Technischen Universität Dresden

88 Seiten (Sw 68, teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-268-7

Preis (Digital) EUR 45,00

Preis (Print) EUR 50,30

Schlagworte: Werkstück, Verschleiß, hydrostatisch

Zusammenfassung

Bei geringen Flächenpressungen, wie sie beim idealen Tiefziehen im Flansch vorliegen, kann durch eine zusätzliche Strukturierung von geschliffenen Werkzeugoberflächen der Reibwert z.T. deutlich gesenkt werden. Vorteilhaft sind dabei Kombinationen aus offenen und geschlossenen, flachen Strukturen mit einem hohen Strukturflächenanteil. Die Kanten der Strukturen sollten abgerundet und schräg zur Werkstofflussrichtung orientiert sein.

Von einer Strukturierung von Graugusswerkzeugen ist jedoch, ebenso wie von der Strukturierung von Werkzeugen für die Umformung von Blechen mit einer sehr geringen Rauheit, abzuraten. Auch im Bereich hoher Flächenpressungen, wie sie an Ziehkanten auftreten, ist die Strukturierung nicht zu empfehlen. Ebenfalls kann in Tiefziehprozessen, bei denen frühzeitig lokal starke Blechaufdickungen und damit hohe Flächenpressungen entstehen, eine Werkzeugstrukturierung nachteilig sein.

Alle bisher untersuchten Strukturierungen auf geschliffenen Werkzeugoberflächen er brachten im Vergleich zu polierten Oberflächen keine signifikanten Reduzierungen der Reibwerte.

Unter hohen Flächenpressungen kommt es besonders bei oberflächenveredeltem Blech (z. B. elektrolytisch verzinktes oder organisch beschichtetes Stahlblech) zum Anlagern von Partikeln an den Kanten der Strukturierungen. insbesondere bei offenen Strukturen mit hohem Strukturflächenanteil. Dabei wird die Blechoberfläche teilweise unzulässig tief gefurcht.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Analyse von Wirkmechanismen und Wechselbeziehungen Werkzeug Werkstück vor dem Hintergrund der Reibwertbeeinflussung beim Streifenziehen durchgeführt.

Schwerpunkt der Untersuchungen lag bei der Beurteilung unterschiedlicher Oberflächenstrukturen der Werkzeuge und ihrer Eignung für Tiefziehprozesse.

Die real auftretenden Beanspruchungen an Niederhalter und Ziehkante wurden dabei durch die Modellprüfverfahren Streifenziehen ohne Umlenkung unter niedrigen Flächenpressungen sowie Streifenziehen mit Umlenkung unter hohen Flächenpressungen abgebildet. Da sich beide Verfahren wesentlich in Aufbau und Wirkungsweise unterscheiden ist eine differenzierte Interpretation der Ergebnisse notwendig.

Bei geringen Flächenpressungen, wie sie beim idealen Tiefziehen im Flansch vorliegen, kann durch eine zusätzliche Strukturierung von geschliffenen Werkzeugoberflächen der Reibwert z. T. deutlich gesenkt werden. Vorteilhaft sind dabei Kombinationen aus offenen und geschlossenen, flachen Strukturen mit einem hohen Strukturflächenanteil. Die Kanten der Strukturen sollten abgerundet und schräg zur Werkstoffflussrichtung orientiert sein.

Bei hohen Flächenpressungen, wie sie an Ziehkanten auftreten, ist die Strukturierung zur Reibwertverminderung nicht zu empfehlen, da alle untersuchten Strukturvarianten höhere Reibwerte als polierte Ziehbacken ohne Struktur aufweisen. Bei Oberflächenveredeltem Blech (z. B. elektrolytisch verzinktes Stahlblech) kommt es hauptsächlich bei Verwendung von Ziehkanten mit offenen Strukturen und hohem Strukturflächenanteil zum Anlagern von Partikeln an den Kanten der Strukturierungen. Dabei wird die Blechoberfläche teilweise unzulässig tief gefurcht.

Verschleißuntersuchungen (bei hohen Flächenpressungen) zeigen, dass für die strukturierten Werkzeuge in Abhängigkeit zu Strukturtiefe und -flächenanteil die Einebnung der Struktur durch abrasiven Verschleiß das relevante Versagenskriterium darstellt.

Die Realteilversuche belegen, dass eine Strukturierung geeignet sein kann, um im Tiefziehprozess die Ziehkraft geringfügig zu reduzieren.

Von einer Strukturierung von Graugusswerkzeugen ist jedoch, ebenso wie von der Strukturierung von Werkzeugen für die Umformung von Blechen mit einer sehr geringen Rauheit, abzuraten.

Die Realteilversuche zeigen, dass eine Strukturierung geeignet sein kann, um im Tiefziehprozess die Ziehkraft geringfügig zu reduzieren.

Das Forschungsvorhaben „Ermittlung optimierter Oberflächenverhältnisse Werkzeug-Werkstück beim Tiefziehen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10892B 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. 137 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Forschung
2.1 Reibtheorien
2.1.1 Festkörperreibung
2.1.2 Hydrodynamische und hydrostatische Reibung
2.1.3 Grenz- und Mischreibung
2.2 Reibzonen beim Streck- und Tiefziehen
2.3 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf die Reibung
2.4 Einfluß von Oberflächenschichten auf Prozeßsicherheit und Reibung
2.5 Vorarbeiten des IFUM Hannover
2.6 Eigene Vorarbeiten am LUT Dresden
3 Zielsetzung des Forschungsvorhabens
4 Durchgeführte Untersuchungen
4.1 Blechwerkstoffe
4.2 Schmierstoffe
4.3 Werkzeugwerkstoffe
4.4 Werkzeugstrukturierung
4.5 Streifenziehversuche zur Bestimmung von Reibwerten
4.5.1 Streifenziehversuche bei niedrigen Flächenpressungen
4.5.1.1 Einfluß der geometrischen Form
4.5.1.2 Einfluß offener und geschlossener Strukturen
4.5.1.3 Einfluß des Strukturflächenanteils
4.5.1.4 Einfluß der Werkzeug- und Blechwerkstoffe
4.5.1.5 Einfluß der Strukturtiefe
4.5.2 Streifenziehversuche bei hohen Flächenpressungen
4.5.2.1 Erfordernis des Streifenziehans mit hohen Flächenpressungen
4.5.2.2 Versuchsstand
4.5.2.3 Reibwertermittlung
4.5.2.4 Berechnung von Flächenpressung und Reibzahl
4.5.2.5 Versuchsdurchführung
4.5.2.6 Versuchsergebnisse
4.5.3 Fazit
4.6 Verschleißuntersuchungen
4.6.1 Zweck und Vergehensweise
4.6.2 Ergebnisse
4.6.3 Fazit
4.7 Vermessung der Werkzeug- und Blechoberflächen
4.7.1 Vergehensweise
4.7.2 Werkzeugoberflächen
4.7.3 Blechoberflächen
4.7.3.1 Ausgangszustand
4.7.3.2 Streifenziehen ohne Umlenkung unter niedrigen Flächenpressungen
4.7.3.3 Streifenziehen mit Umlenkung unter hohen Flächenpressungen
4.7.3.4 Fazit
4.8 Tiefziehversuche
4.8.1 Tiefziehen mit rotationssymmetrischen Werkzeugen
4.8.2 Tiefziehen mit Rechteckwerkzeugen
5 Zusammenfassung
6 Literaturverzeichnis
7 Bilder und Tabellen