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EFB-Forschungsbericht Nr. 046

Einfluss der Oberflächenstrukturen von Feinblech aus Aluminiumlegierungen und Werkzeug auf das tribologische Verhalten beim Tief- und Streckziehen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Siegert, Dipl.-Ing. Stefan Wagner, Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart

152 Seiten (Sw 142 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-044-7

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 77,00

Schlagwörter: tribologisch, Legierung

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Ermittlung des Einflusses verschiedener Oberflächenstrukturen der Legierung Al Mg 0,4 Si 1,2-ka und verschiedener Werkzeugwerkstoffe bzw. Beschichtungen auf das tribologische Verhalten. Dazu wurden jeweils Modellversuche und Versuche an geometrisch einfachen Ziehteilen durchgeführt.

Bei den Streifenziehversuchen zeigte sich ein stark anisotropes tribologisches Verhalten der Oberfläche MILL-FINISH. Bezüglich des Adhäsionsverhaltens schnitt die BONAZINC-Variante bei vergleichsweise hohen Reibungszahlen am besten ab, sie zeigte aber das schlechteste Tiefziehverhalten. Die Oberflächen ISOMILL-D, EDT und LASERTEX erwiesen sich bei der Gesamtbetrachtung aller Versuchsreihen als am günstigsten. Von diesen drei Oberflächen zeigten im Modellversuch vor allem die Varianten EDT und LASERTEX erst bei relativ hohen Flächenpressungen einen Adhäsionsbeginn, bei den Tiefziehversuchen waren von diesen drei Oberflächen hauptsächlich bei ISOMILL-D und LASERTEX relativ große Ziehtiefen möglich.

Die Tiefziehversuche ergaben weiterhin, daß bei dem gewählten Ziehwerkzeug die Wahl der Ziehkantenrundung einen höheren Einfluß auf das Ziehergebnis als die Oberflächenstruktur der verwendeten Blechwerkstoffe hat. Hauptsächlich bei kleinen Ziehringradien ist der Biegeanteil der Gesamtkraft so groß, daß die Unterschiede im Reibungsverhalten nicht deutlich genug zu Unterschieden in der Gesamtkraft und in der erreichbaren Ziehtiefe führen. Bei größeren Ziehkantenradien treten dagegen aufgrund eines wachsenden Anteils der Reibungskraft an der Gesamtkraft Unterschiede bei den einzelnen Blechoberflächen auf.
Zur Beurteilung des Einglättungsverhaltens lieferte die räumliche Abbot-Kurve einen wesentlich höheren Informationsgehalt als das Tastschnittverfahren.

Berührungslos dreidimensional messende optische Verfahren ermöglichen sowohl dem Walzwerker als auch dem Blechverarbeiter, die Oberflächenstruktur von Blechen quantitativ zu beschreiben. Hierbei ist die räumliche Abbot-Kurve allein jedoch zur eindeutigen Charakterisierung von Oberflächentopographien noch nicht ausreichend, zusätzlich müssen neue Rauhigkeitskenngrößen entwickelt werden, die die Größe, Anzahl und Form der einzelnen Tragpunkte beschreiben. Weiterhin muß für diese Geräte eine verbindliche, allgemein gültige Meßvorschrift entwickelt werden.

Im zweiten Teil der Untersuchung wurden insgesamt 13 verschiedene Kombinationen von Werkzeugwerkstoffen, Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen eingesetzt. Es wurden sowohl Streifenziehversuche als auch Realversuche an einem eigens dafür entwickelten Tiefziehwerkzeug, bei dem der Stempel, der Ziehring und der Niederhalter segmentiert ausgeführt und mit Kraftmeßelementen versehen sind, durchgeführt.

Die Streifenziehversuche ergaben, daß durch die Wahl geeigneter Werkzeugwerkstoffe bzw. Werkzeugbeschichtungen in Verbindung mit entsprechenden Blechoberflächen das Reibungs- und Verschleißverhalten erheblich beeinflußt werden kann. So zeigte sich beispielsweise bei Verwendung von Grauguß eine sehr breite Streuung der Versuchsergebnisse, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von MILL-FINISH-Blechoberflächen. Die nitrierten Werkzeugoberflächen wiesen nach höheren Flächenpressungen unabhängig vom Grundwerkstoff starken Verschleiß auf.

Gute Ergebnisse zeigten der hochlegierte Werkzeugstahl 1.2379 und der Stahlguß 1.2769, jeweils ohne Oberflächenbehandlung. Die niedrigsten Reibungszahlen und genau reproduzierbare Ergebnisse konnten mit den Versuchswerkzeugen, die PVD-TiN-beschichtet wurden, gemessen werden.

Am Werkzeug konnte keinerlei Verschleiß festgestellt werden. Der Werkzeugwerkstoff AMPCO 25 zeigte ebenfalls gute Ergebnisse bei allen verwendeten Blechoberflächen.
Mit dem segmentierten und mit Kraftmeßelementen versehenen Tiefziehwerkzeug wurden die Reibungskräfte an Niederhaltersegmenten aus verschiedenen Werkstoffen bzw. Beschichtungen gemessen. Hierbei ergaben die gas- und badnitrierten Werkzeuge ebenfalls vergleichsweise hohe Reibungszahlen. Die TiN-beschichteten Werkzeugsegmente zeigten wie bei den Streifenziehversuchen ein gutes Reibungsverhalten.

Die Versuche mit dem segmentierten Werkzeug müssen im nächsten Schritt noch dahingehend weitergeführt werden, daß der Einfluß verschiedener Oberflächenstrukturen der Bleche in Zusammenhang mit verschiedenen Werkstoffen nicht nur des Niederhalters, sondern auch in Kombination mit verschiedenen Stempel- und Ziehringsegmenten untersucht wird.
Daran anschließend sollte eine Untersuchung des Einflusses der Zieh- und Stempelkantenradien erfolgen, die mit diesem Werkzeug ebenfalls gut möglich ist.

Das Forschungsvorhaben "Einfluss der Oberflächenstrukturen von Feinblech aus Aluminiumlegierungen und Werkzeug auf das tribologische Verhalten beim Tief- und Streckziehen" enthält die Ergebnisse des Gemeinschaftsforschungsvorhabens DFB/ AiF-Nr: 8078. Das Vorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 46 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Kenntnisse
2.1 Reibungszustände
2.2 Anforderungen an Blechoberflächen
2.3 Untersuchungen über den Einfluß der Oberflächenfeinstruktur von Aluminiumblechen
2.4 Untersuchungen über den Einfluß der Werkzeugoberfläche
3 Zielsetzung
4 Vorgehensweise, Versuchseinrichtungen und verwendete Versuchsmaterialien
4.1 Versuchsplan
4.2 Versuchseinrichtungen
4.2.1 Streifenziehanlagen
4.2.2 Segmentiertes Tiefziehwerkzeug
4.2.3 Tiefziehwerkzeug für quadratische Teile mit ebenem Boden
4.2.4 Kugelfallviskosimeter
4.3 Charakterisierung der Versuchsbleche
4.3.1 Übersicht
4.3.2 Chemische Analyse
4.3.3 Gefügeuntersuchung
4.3.4 Textur
4.3.5 Oberflächenuntersuchung
4.3.5.1 REM-Aufnahmen
4.3.5.2 Rauhigkeitsmessungen
4.3.5.3 3D-Oberflächenaufnahmen
4.3.6 Mechanische Eigenschaften und Umformkennwerte
4.4 Schmierstoffe
4.5 Werkzeugwerkstoffe und Oberflächenbehandlungen
4.5.1 Verfahren der Oberflächenbehandlung
4.5.2 Beschreibung der verwendeten Werkzeugwerkstoffe
5 Einfluß der Oberflächenstruktur auf das tribologische Verhalten
5.1 Modellversuch Streifenziehen ohne Umlenkung
5.1.1 Einflußfaktoren
5.1.2 Einfluß der Oberflächenstruktur und der Flächenpressung
5.1.3 Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Bleche
5.1.3.1 Einglättungsverhalten
5.1.3.2 Veränderung der Abbot-Kurve
5.1.3.3 REM-Aufnahmen
5.1.3.4 Mehrmaliger Streifenzug
5.1.4 Einfluß der Ziehgeschwindigkeit
5.1.4 Einfluß des Schmierstoffes
5.2 Realversuche
5.2.1 Reibungsverhältnisse beim Tief- und Streckziehen
5.2.2 Tiefziehergebnis
5.2.3 Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der Bleche
5.2.3.1 Rauheitsanalyse
5.2.3.2 REM-Aufnahmen
5.2.4 Ziehreserve nach Engelhardt
6 Einfluß des Werkzeuges auf das tribologische Verhaltens
6.1 Modellversuch Streifenziehen ohne Umlenkung
6.1.1 Einfluß der Werkzeugstruktur
6.1.2 Einfluß des Werkzeugwerkstoffes und der Werkzeugbeschichtung
6.2 Realversuche mit dem segmentierten Tiefziehwerkzeug
6.2.1 Versuchsparameter
6.2.2 Kraft-Weg-Diagramme
6.2.3 Einfluß des Werkzeugwerkstoffes und der Werkzeugbeschichtung
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literatur
Anlage
A1: Chemische Zusammensetzung der Versuchsbleche
A2: Texturverhalten
A3: Rauhigkeitsparameter
A4: Mechanische Eigenschaften
A5: VDT-Diagramme der Schmierstoffe