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EFB-Forschungsbericht Nr. 093

Optimierung des Schließverhaltens der Werkzeuge beim Ziehen auf einfach wirkenden Pressen

efb93.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Franz Garreis Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Hans Wilfried Wagener, Dipl.-Ing. Thomas Freiherr Laboratorium fürVerfahren und Werkzeugmaschinen der Umformtechnik der Gesamthochschule Universität Kassel

246 Seiten (sw 166, teil farbige Abb., 24 Tab., 27 Diag.)

ISBN: 978-3-86776-227-4

Preis (Digital) EUR 129,00

Preis (Print) EUR 144,50

Schlagworte: Tischziehkissen, tribologisch, mechanische Pressen, Hubzahl, 3D-Erfassung

Zusammenfassung

1.    Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Arbeiten am IWU Chemnitz

Der Anteil des IWU Chemnitz erstreckte sich im wesentlichen auf Modellversuche zur Bestimmung der Auswirkungen des Auftreffstoßes auf die Werkstückoberfläche und seinen Einfluß auf die tribologischen Bedingungen zu Beginn des Ziehvorganges. Dabei wurden hauptsächlich die Parameter
-    dynamische Auftreffkraft,
-    Auftreffgeschwindigkeit,
-    Blechoberflächenstruktur
            . O5 (Walzenendbearbeitung durch Schleifen)
            . EBT (Walzenendbearbeitung durch Elektronenstrahl)
            . EDT (Walzenendbearbeitung durch Erodieren)
            . LT (Walzenendbearbeitung durch Laserstrahl)
-    Schmiermittel (3 Schmierstoffe mit niedriger, mittlerer und hoher Viskosität; zum Vergleich "trocken")
variiert.

Aus den Versuchskomplexen

  • Ermittlung der Haft- und Gleitreibungskoeffizienten zu Beginn der Ziehbewegung,
  • Ermittlung der möglichen, bei Umformbeginn noch zur Verfügung stehenden Schmiermittelvolumina,
  • Betrachtung der Dämpfungswirkung der verbliebenen Schmiermittelvolumina und
  • Oberflächenuntersuchungen mittels Raster-Elektronen-Mikroskop

konnten zusammenfassend folgende Feststellungen getroffen werden: 

  • Grundsätzlich ist mit steigender dynamischer Auftreffkraft im untersuchten Bereich (bis ca. dem 280fachen der annähernd statischen Niederhalterkraft) weder eine sprunghafte, noch eine progressiv steigende Zunahme der Reibungsbungskoeffizienten zu erkennen.
  • Hinsichtlich der Oberflächenstrukturierung zeigt EBT geschmiert die niedrigsten Reibungskoeffizienten. Die weitere Reihenfolge ist O5, LT und EDT.
  • Ohne Anwendung von Schmiermitteln, d.h. Oberfläche "trocken", beträgt die Oberflächeneinebnung und damit die Reduzierung des möglichen "aufnehmbaren Luftvolumens" nach Einwirkung der maximal angesetzten Auftreffkraft bis zu 40 % gegenüber dem Ausgangszustand. Nach Auftreffen und Ziehbewegung sinkt dieses ,,Luftvolumen" um weitere 5 ... 20 %. Die Oberflächenstruktur ist dabei mit Ausnahme EDT von untergeordneter Bedeutung.
  • Bei Einsatz von Schmiermittel hoher Viskosität ist die vom Auftreffstoß verursachte Oberflächeneinebnung erheblich geringer als bei "trocken": Die Volumenänderung beträgt höchstens ca. 8 %.
  • Bei nachfolgender Ziehbewegung wird das Schmiermittelvolumen um 25 ...35 % reduziert, d.h. daß die Hauptursache für die Volumenreduzierung nicht im Auftreffstoß liegt, sondern in der Querbewegung, wobei unter Querbewegung sowohl die notwendige Ziehbewegung, als auch Stößel-, Werkzeuganpaß- oder Schwingbewegungen zu verstehen sind.
  • Die Oberflächenstrukturen O5 und EDT weisen nach Auftreffstoß und Ziehbewegung noch die meisten Reserven an Schmiermittelvolumen für die Fortführung des Ziehvorganges auf.
  • Schmiermittel mit niedriger und mittlerer Viskosität zeigen unabhängig von der Oberflächenstruktur kaum Unterschiede im Dämpfungsverhalten.
  • Mit Schmiermitteln hoher Viskosität wird bei allen Strukturen, insbesondere bei 05, günstige Dämpfung erreicht.

Aus diesen Feststellungen lassen sich folgende allgemeingültigen Schlußfolgerungen ableiten:

  • Für die Minderung bzw. Eliminierung schädlicher Auswirkungen des beim Schließen von Werkzeugen auftretenden Auftreffstoßes auf die zur Umformung erforderlichen tribologischen Bedingungen ist der Einsatz von Schmiermitteln mit hoher Viskosität sinnvoll und notwendig.
  • Zusätzlich zur Ziehbewegung auftretende Querbewegungen, die von Stößelkippung, Werkzeuganpaßbewegungen, Schwingzuständen im Werkzeug u.ä. herrühren können, sind durch geeignete Maßnahmen wie exakte Werkzeugaktivteilführung, Kippungskompensation u.ä. weitgehend zu unterbinden.
  • Der Einsatz von Schmiermitteln hoher Viskosität ist wegen ihres günstigen Dämpfungsverhaltens hinsichtlich des Auftreffstoßes zu empfehlen.
  • Die konventionelle Oberflächenstruktur 05 wird den aus den vorliegenden Versuchen resultierenden Oberflächenansprüchen in ihrer Gesamtheit noch am besten gerecht, wobei andere Strukturen in speziellen Fällen durchaus vorteilhafter sein können.
  • Auftreffstoßsenkung durch zusätzliches Anbringen von Ziehsicken ist nicht sinnvoll, da hierdurch nur unnötige Werkstoff- und Werkzeugbelastungen hervorgerufen werden, ohne daß äquivalenter Nutzen daraus hervorgeht.
2.    Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Arbeiten am LVWU Kassel

Die Schwerpunkte der Untersuchungen am LVWU Kassel lagen in statistischen Erfassungen in der Industrie, in Versuchen mit Fallhammer sowie auf mechanischen und hydraulischen Pressen und in Aktivitäten zur gezielten Ermittlung des Einflußes von Ziehsicken.

Im Rahmen einer statistischen Erfassung wurden in 2 Preßwerken die für Blechumformung eingesetzten Maschinen- und Werkeugpaarungen ermittelt. Die für dieses Projekt wichtigen technischen Daten, wie z.B. Stößelgeschwindigkeiten und -massen, Fertigungshubzahlen, Werkzeugmassen, Platinengrößen und Ziehwulstlängen wurden gesammelt und ausgewertet.

Aus den gewonnenen Daten wurden die partiellen Belastungen der Blechwerkstoffe zum Zeitpunkt des Schließens der Werkzeuge ermittelt. Weiterhin wurden Nomogramme erstellt, mit deren Hilfe die Impulsbelastungen der Blechwerkstoffe in Abhängigkeit von der eingestellten Hubzahl der Presse und vom Gewicht des eingesetzten Werkzeugoberteils abgelesen werden können.
Aus dieser Erfassung wurden die notwendigen Informationen für den Bau der Versuchswerkzeuge gewonnen.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden Experimente an einem Fallhammer, einer mechanischen und einer hydraulischen Presse durchgeführt. Die Versuchswerkzeuge wurden den maschinenseitigen Anforderungen angepaßt. Es wurde ein Werkzeug mit ebenen Blechberührflächen, ein Werkzeug mit integrierten Ziehleisten und ein Realwerkzeug (Automobilteil) bei der Versuchsdurchführung eingesetzt.

Die Stößelgeschwindigkeit und die Blechbreite wurden als Parametervariation bei der Durchführung der einzelnen Versuchsserien verändert. Durch diese Variationsparameter ließen sich bei allen Versuchseinrichtungen unterschiedliche Impulsdichten realisieren.
Im wesentlichen wurden St 14-Stahlbleche als Versuchswerkstoffe eingesetzt, die unterschiedliche Oberflächenstrukturen (OS,EBT und EDT) besaßen.

Bei der anschließenden Auswertung der Probenbleche standen die Veränderungen der Materialeigenschaften der Blechwerkstoffe im Vordergrund. Speziell wurden die verwendeten Probenwerkstoffe im Hinblick auf Blechdicken- und Härteveränderungen sowie die Oberflächenwandlung der Blechwerkstoffe, d.h. die Veränderungen des Ölaufnahmevermögens der Blechoberflächen, untersucht.

Es manifestierten sich folgende Untersuchungsergebnisse: 

  • Etwa 29 % der in den untersuchten Preßwerken verwendeten Platinen werden zusätzlich beölt.
  • ln etwa 77 % der eingesetzten Werkzeuge werden Ziehsicken verwandt.
  • Es werden zu 84 % mechanische Pressen eingesetzt. Ungefähr 56 % der Pressen haben ein pneumatisches Ziehkissen.
  • Die Blechoberflächenstruktur OS besitzt das größte Ölaufnahmevolumen.
  • Die beste Beständigkeit gegen Einebnung infolge Impulsbelastung wird bei der Oberflächenstruktur EßT nachgewiesen.
  • Für ebene Bleche werden bei Auftreffgeschwindigkeiten bis zu 3500 mm/s und einer Impulsdichte von 0,66 kgm/s pro Quadratmillimeter Blechoberfläche Verringerungen des Ölaufnahmevolumens der Blechoberflächen von maximal 14 %. Eine wesentliche Verschlechterung der tribologischen Oberflächeneigenschaften konnte nicht ermittelt werden.
  • Neben Ziehsicken sind im ebenen Blech Reduzierungen des Ölaufnahmevolumens von maximal 9% gemessen worden. Als Schmiermittel hat sich ein hochviskoses Ziehöl bewährt.
  • Im Sickenbereich wurden bei Impulsbelastung bis zu 8,8 kgm/s pro 1 mm Sikkenbreite und Auftreffgeschwindigkeiten bis zu 3500 mm/s an den Sickenradien Reduzierungen der Blechdicke mit einem Umformgrad von maximal -0,13 (Einschnürung) gemessen. Diese sind verbunden mit Härtesteigerungen bis 27 % und Vergrößerung der Oberflächenrauheit bis 57 %.

Aus den Versuchsergebnissen lassen sich folgende allgemeingültigen Erkenntnisse ableiten:

  • Durch die im Rahmen von Tiefziehprozessen auftretenden Impulswerte wurden in ebenen Blechen nur sehr geringe negative Einflüße auf die tribologischen Eigenschaften der Blechoberflächen ausgeübt.
  • Die Größe des Impulses ist nicht die Haupteinflußgröße, sondern die Größe der Auftreffgeschwindigkeit der Werkzeuge auf das Blech.
  • Beim Eindrücken der Sicke in das ebene Blech laufen die zwei Umformvorgänge Biegen und Streckziehen gleichzeitig ab; dabei wurden in Abhängigkeit von der Auftreffgeschwindigkeit die Reduzierung der Blechdicke, die Steigerung der Blechhärte und der Anstieg der Oberflächenrauheit größer. Diese Negativ-Faktoren wurden mit größer werdendem Sickenradius kleiner.
  • Bei der Konstruktion von Ziehwerkzeugen mit Ziehsicken, bei denen der ursprüngliche Bereich der Ziehsicke in die Werkstückzarge einlaufen darf, sind die inhomogenen Blecheigenschaften in diesem Bereich zu berücksichtigen.

Das Forschungsvorhaben „Optimierung des Schließverhaltens der Werkzeuge beim Ziehen auf einfach wirkenden Pressen“ wurde unter der Fördernummer EFB/AiF 9647B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften e.V., Köln, aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministers (BMWi) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 93 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Teil I
Verwendete Größen, Formelzeichen, Einheiten und Abkürzungen
1. Problemstellung
2. Stand der Technik
2.1. Kontaktvorgang
2.2. Tribologie
3. Forschungsziel
4. Versuchsprogramm
4.1. Versuchsparameter
4.1.1. Versuchswerkstück
4.1.2. Versuchswerkstoff
4.1.3. Werkstückoberflächenstruktur
4.1.4. Schmierstoffe
4.2. Versuchseinrichtung und Meßtechnik
4.2.1. Versuchsstand mit Kraft- und Wegmessung
4.2.2. Oberflächenmessung
4.2.2.1. Messungen möglicher Schmiermittelvolumina mit der Meßtechnik des IWU Chemnitz
4.2.2.2. Vergleichsmessungen möglicher Schmiermittelvolumina mit der Meßtechnik des IFU der Universität Stuttgart
5. Versuchsdurchführung
6. Auswertung
6.1. Ermittlung der Reibungskoeffizienten
6.2. Ermittlung der Schmiermittelvolumina
6.3. Dämpfungswirkung des Schmiermittels
6.4. Oberflächenuntersuchungen mittels Raster-Elektronen-Mikroskop
7. Einfluß von Ziehsicken
8. Zusammenfassung und Schlußfolgerungen
9. Literaturverzeichnis
10. Verzeichnis der Anlagen

Teil II
1 Einleitung
2 Erkenntnisstand
2.1 Auftreffstoß und Impuls
2.2 Tribologie
2.2.1 Reibung
2.2.2 Verschleiß
2.2.3 Schmierung
2.3 Blechoberflächenstrukturen
2.3.1 Umfangsgeschliffene Dressierwalze (Mill-Finish)
2.3.2 Shot Blast Texturing (SBT)
2.3.3 Electrical Discharge Texturing (EDT)
2.3.4 Laser Texturing (LT)
2.3.5 Electron Beam Texturing (EBT)
2.4 Ziehwulstuntersuchungen
3 Statistische Erfassung
3.1 Auswertung der erfaßten Werkzeuge
3.2 Auswertung der erfaßten Pressen
3.2.1 Ermittlung der Stößelgeschwindigkeiten
3.2.2 Geschwindigkeitsverläufe
3.3 Impulsbelastungen
4 Versuchsprogramm und Auswertung
4.1 Kennwert 'Impulsdichte'
4.2 Versuchseinrichtungen
4.2.1 Fallhammer
4.2.2 Mechanische Presse
4.2.3 Hydraulische Presse
4.3 Versuchswerkzeuge und meßtechnische Ausstattung
4.3.1 Meßgeräte
4.3.2 Realwerkzeug Tankhälfte
4.3.3 Simulationswerkzeuge
4.4 Blechwerkstoffe
4.5 Schmierstoffe
4.5.1 Ratak MZA 08
4.5.2 Ziehöl S
4.5.3 Ratak MF 63B
4.6 Parametervariation
4.6.1 Auftreffgeschwindigkeit
4.6.2 Blechfläche und Sickenlänge
4.7 Auswertung
4.7.1 Oberflächenvolumen
4.7.2 Rauhigkeit
3 Härtemessung
4.7.4 Blechdicke.
5 Versuchsergebnisse
5.1 Kraft- und Geschwindigkeitsverläufe
5.1.1 Fallhammer
5.1.2 Mechanische 2500 kN Presse (VP1).
5.1.3 Hydraulische 5000 kN Presse (VP2)
5.2 Oberflächenvolumen
5.2.1 Vorversuche
5.2.2 Ebenes Blech
5.2.3 Sickenbleche
5.3 Härte- und Blechdickenverläufe
5.4 Rauhigkeit
6 Diskussion der Ergebnisse
6.1 Kraftentwicklung und Geschwindigkeitsverläufe
6.2 Oberflächenwandlung
6.2.1 Ebene Bleche
6.2.2 Sickenbleche
6.3 Veränderungen der Härte und der Blechdicke im Sickenbereich
6.3.1 Härteverläufe
6.3.2 Blechdicke und Umformgrad
6.3.3 Rauhigkeit der Blechoberfläche
6.4 Kraftbetrachtung
6.5 Tabellarische Darstellung der Versuchsergebnisse
6.6 Ursachen und Auswirkungen
6.7 Empfehlungen
7 Zusammenfassung
8 Schrifttum