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EFB-Forschungsbericht Nr. 051

Ermittlung des Einflusses der Oberflächenwandlung auf Gleitreibungsbedingungen zur Simulation von Tiefziehprozessen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel, Dipl.-Ing. Gerhard Nürnberger, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Hochschule Darmstadt

76 Seiten (Sw 57 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-039-3

Preis (Digital) EUR 30,00

Preis (Print) EUR 34,20

Schlagwörter: Schmierstoff, tribologisch, hydrostatisch

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Oberflächenfeingestalt von Tiefziehblechen aus Stahl hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens mit Hilfe eines Tastschnittgerätes untersucht.

Um bei der Vielzahl von Einstellmöglichkeit, die das rastschnittgerät bietet, reproduzierbare Rauheitskennwerte bei unterschiedlichen Blechoberflächen (SBT, EDT und Lasertex) zu erhalten, wurden zu Beginn des Vorhabens Einstellparameter wie Filterart (Digital- oder ReFilter), Cut-Off, Meßlänge, Abtastwinkel zur Walzrichtung, Tasterart usw. variiert und die Ergebnisse ausgewertet. Als erstes Ergebnis des Vorhabens entstand eine Meßvorschrift, welche die reproduzierbare Rauheitsmessung von Tiefziehblechen erlaubt. Um das Reibungsverhalten der Bleche besser charakterisieren zu können, wurde ein zusätzlicher Rauheitsparameter - die Glättungstiefe GP- eingeführt.
Dieser Parameter errechnet sich aus den Materialanteilkurven von 10 parallelen rastschnitten (Fläche: 10 x 10 mm2) und gibt anschaulich das zur Aufnahme von Schmierstoff zur Verfügung stehende Leervolumen im Oberflächengebirge wieder. Hierdurch wird es möglich, anhand der gemessenen Oberflächenrauheit die zum Umformen nötige Schmierstoffmenge abzuschätzen.
Mit Hilfe der Meßvorschrift und der ausgewählten Rauheitsparameter war es möglich, die Wandlung während des Umformvorganges näher zu erforschen.

Es wurden fünf ausgewählte Tiefziehbleche mit gleichen Materialeigenschaften aber unterschiedlichen Oberflächenstrukturen untersucht. Um reproduzierbare Umformbedingungen zu gewährleisten, wurden die Experimente auf einer Streifenziehanlage durchgeführt. Hiermit konnten die unterschiedlichen Mechanismen zur Oberflächenwandlung, wie Aufrauhung durch plastische Formänderung bzw. Einglättung durch Kontaktnormalspannung getrennt werden. ln Umlenkversuchen mit den Umlenkradien von 5, 10 und 15 mm wurden die Reibungsverhältnisse sowie die Oberflächenwandlung erfaßt, um Aussagen treffen zu können, welche Oberfläche die Reibung günstig beeinflußt.

Hierbei zeigte sich, daß mit Hilfe von Kennwerten, die aus der Materialanteilkurve nach DIN 4776 abgeleitet sind (wie z.B. die Kernrauhtiefe Rk, die reduzierte Spitzenhöhe RPk' die reduzierte Rillentiefe Rvk sowie die neu hinzugekommene Glättungstiefe Gp), die Oberfläche von Tiefziehblechen hinsichtlich ihres tribologischen Verhaltens besser charakterisiert werden kann. Niedrige Reibzahlen werden erreicht, wenn die Spitzen der Oberfläche zu Beginn eingeglättet werden und die Glättungstiefe bei weiter ansteigenden Kontaktnormalspannungen weitgehend konstant blieben. Sobald die Oberfläche durch starke plastische Formänderungen aufrauht, kommt es zum Abbau von hydrostatischen Drucktaschen und somit zu Schmierstoffmangel, so daß Grenz- bzw. Festkörperreibung auftreten und es zum Versagen kommt. Hinzuzufügen ist noch, daß bei nichtkommunizierenden Tälern, wie sie bei Lasertextoberflächen vorkommen, der Abfluß von Schmierstoff aus der Umformzone verhindert wird, so daß das Versagen erst bei höheren Kontaktnormalspannungen auftritt.

Eine deutliche Differenzierung der Oberflächenwandlung bei unterschiedlichen Umlenkradien und Gleitgeschwindigkeiten war nicht zu erkennen. Die ermittelten Rauheitskennwerte lagen dicht beieinander. Von Einfluß ist vor allem die Gesamtzugkraft oder -umformkraft, die sich bei geringen Geschwindigkeiten aufgrund der steigenden Reibkraft erhöht. Je nach Oberfläche waren so die Gesamtzugkräfte bei 50 mm/s um 5 bis 30 % höher als bei der Geschwindigkeit von 400 mm/s.
Aufgrund der geringen Anzahl unterschiedlicher Blechoberflächen, die bei der Untersuchung zur Verfügung standen, war es nicht möglich, eine generelle Aussage über den Zusammenhang zwischen Oberflächenfeingestalt und Reibungsverhalten zu treffen. Aber trotzdem konnten einige Anhaltspunkte hinsichtlich eines guten Reibverhaltens ermittelt werden.

So zeigten die Lasertexbleche mit ihren abgeschlossenen Schmierstofftaschen ein gutes Reibverhalten, wobei der Unterschied zwischen den beiden untersuchten Strukturen darin bestand, daß bei der geringfügig schlechteren Struktur L5 die Kraterstruktur nicht perfekt auf der Blechoberfläche abgebildet war, so daß der für die Umformung nötige Schmierstoff leichter abfließen konnte. Aber auch das Reibungsverhalten des SBT-Bleches IS01 war als gut zu bezeichnen. Hier zeigte sich, daß die Einglättung im Spitzen- und im Kernbereich des Bleches, die schon bei geringsten Kontaktnormalspannungen unter dem Niederhalter auftrat, hydrostatische Schmierstoffpolster schafft und so metallischen Kontakt verhindert.

Hier wird der Schmierstoff wie in einer Labyrinthdichtung am Abfluß gehindert und vermindert so den metallischen Kontakt.

Bei allen Versuchsblechen war festzustellen, daß kurz vor Versagensbeginn die Oberflächenfeingestalt stark zum Aufrauhen neigte, so daß es aufgrund des in der Umformzone fehlenden Schmierstoffes zu extrem hohen Reibzahlen kam.

Die Reibungsverhältnisse der unterschiedlichen Oberflächenfeingestalten der Tiefziehbleche waren auf der Reibversuchsanlage deutlich zu differenzieren; entsprechend der Topographie waren unterschiedliche Reibzahlniveaus zu messen. Ein sehr gutes Reibverhalten zeigten die Lasertexbleche. Die Reibzahlen des EDT-Bieches waren kaum geschwindigkeitsabhängig, stiegen aber mit steigender Kontaktnormalspannung stetig an. Die beiden isomatten Strukturen zeigten ein unterschiedliches Verhalten. Das rauhere Blech führte sehr schnell zum Versagen durch Klemmen und Bandriß auf der Reibversuchsanlage, während die andere Struktur gutes Gleitverhalten zeigte.

Das Forschungsvorhaben „Ermittlung des Einflusses der Oberflächenwandlung auf Gleitreibungsbedingungen zur Simulation von Tiefziehprozessen“ wurde unter der Fördernummer AiF. S222 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. 51 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1. Einleitung
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Versuchseinrichtungen
4.1 rastschnittgerät zur Oberflächenerfassung
4.2 Reibversuchsanlage
5. Durchführung und Ergebnisse der Untersuchungen
5.1 Erstellen einer Maßvorschrift zur reproduzierbaren Oberflächenmessung mittels eines Tastschnittgerätes
5.2 Rauheitsmessungen an ungebunden umgeformten Blechen
5.3 Rauheitsmessungen an gebunden umgeformten Blechen
5.3.1 Oberflächenwandlung unter Normalkraftbeanspruchung
5.3.2 Oberflächenwandlung unter tiefziehähnlicher Beanspruchung
5.4 Reibverhalten der Versuchsbleche
6. Zusammenfassung