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EFB-Forschungsbericht Nr. 032

Untersuchung des Einflusses der Oberflächenfeingestalt und des Werkstückstoffs von Feinblechen aus Aluminiumlegierungen auf das tribologische Verhalten beim Tief- und Streckziehen

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Kurt Lange, Dipl.-Ing. Rainer Balbach, Dipl.-Ing. Eckart Dannenmann, Institut für Umformtechnik der Universität Stuttgart

157 Seiten (Sw 97 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-051-5

Preis (Digital) EUR 76,00

Preis (Print) EUR 85,60

Schlagwörter: Schmierstoff, Aluminiumbleche, Aluminiumumformung

Zusammenfassung

Anhand zweier beim Blechumformen häufig eingesetzter Aluminiumlegierungen mit jeweils unterschiedlichen Oberflächenfeinstrukturen wurde der Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf das Verhalten beim Tief-, Streck- und Karosserieziehen allgemein erfaßt.

Von großem Einfluß auf die Tribologie im Flansch- und Ziehringradiusbereich sowie entlang der Stempelberührfläche ist die Oberflächenwandlung, die bei frei er und gebundener Rauheitsänderung in Abhängigkeit von der Formänderungsverteilung analysiert wurde. Dabei ergab sich, daß eine höhere Ausgangsrauheit eine kleinere Rauheitszunahme bei zunehmender Formänderung zur Folge hat, und daß ein kleinerer mittlerer Korndurchmesser einen ähnlichen Einfluß ausübt.

Durch eine Auger-Analyse wurde die Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht der Bleche ermittelt, wobei beim Streckziehvorgang eine deutliche Oberflächenneubildung zu erkennen war.

Als bedeutende neue Erkenntnis - gewonnen durch den Modellversuch Streifenziehen - läßt sich festhalten, daß die Oberflächenfeinstruktur über ein Mindesteinglättungsvermögen in Verbindung mit abgeschlossenen Rauheitsvertiefungen verfügen sollte. In den mit der Werkzeugoberfläche in Kontakt tretenden Bereichen bilden sich so kleine abgeschlossene Schmierstoff-Mikrodruckkammern aus, die dann bei fortschreitendem Ziehweg und einhergehender Einglättung Schmierstoff in die unter Grenzschmierung stehenden Mikrogleitflächen fördern und damit einen günstigen Mischreibungszustand aufrechterhalten.

Durch diese Grenzschmierfilme werden Adhäsionserscheinungen unterbunden und ein vorzeitiger Ausfall des Ziehwerkzeuges verhindert, so daß durchaus von diesem Aspekt her an das Weglassen einer Ziehfolie beim Umformen auch von Außenhautkarosserieteilen gedacht werden kann, wobei die Handhabung der Blechteile mit erhöhter Sorgfalt erfolgen sollte.

Beim Ziehen von Blechteilen sorgen tribologisch günstige Oberflächen für einen Abbau, von hohen lokalen Formänderungen in den einschnürungs- und rißgefährdeten Bereichen. Ein durch kleine Reibzahlen ungehinderter und damit ausgleichender Werkstofffluß senkt in Verbindung mit höher einstellbarem Niederhalterdruck die Faltenbildung und die Neigung zu örtlichen Aufdickungen. Der Einfluß der Schmierstoffmenge auf das Ziehkraftmaximum ergab sich als abhängig von Oberflächenmikrogeometrie und Blechlegierung.

Eine sehr deutliche Verbesserung der Fertigungssicherheit gegenüber dem Ziehen von Blechteilen mit üblicher Oberfläche wurde durch den Einsatz der Lasertex-Blechoberfläche erzielt.
Der Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf das Widerstandspunktschweißen war bei den untersuchten Blechqualitäten unerheblich.
Das optische Erscheinungsbild von lackierten, quasi-isotropen Oberflächen wurde gegenüber herkömmlichen, gerichteten Oberflächen als besser empfunden.

Zur Einschätzung des tribologischen Verhaltens der Bleche lieferte die Mikrotragflächenausbildung in Abhängigkeit von der Flächenpressung einen höheren Informationsgehalt verglichen mit einer Reihe von Rauheitsmaßzahlen ermittelt durch das Tastschnittverfahren. Der Blecheingangsprüfung und Organen der Fertigungssicherung auch in der Stahlblechumformung könnte damit ein wichtiges Hilfsmittel angeboten werden, sobald diese Methode verfeinert, die Meßvorschrift verbindlich definiert und darüber hinaus eine berührungslos arbeitende optische Methode entwickelt wird.

Die am Schluß der Untersuchung in einer Art Anforderungskatalog zusammengestellten Kriterien zur Wahl einer geeigneten Oberflächenqualität sollen für Hersteller und Verarbeiter von Aluminiumblechen ein nützliches Instrument bilden; welches zusammen mit den weiteren Erkenntnissen zum Tief-, Streckund Karosserieziehen sowie mit den Randbedingungen von Seiten der Weiterverarbeitungseigenschaften dazu bei trägt, die Fertigung von Bauteilen aus Aluminiumblechen wesentlich zu optimieren.

Das Forschungsvorhaben „Untersuchung des Einflusses der Oberflächenfeingestalt und des Werkstückstoffs von Feinblechen aus Aluminiumlegierungen auf das tribologische Verhalten beim Tief- und Streckziehen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 6582 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. 32 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Bezeichnungen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Bedeutung der Oberflächenfeingestalt in der Blechbearbeitung
2.1 Stand der Erkenntnisse
2.2 Zielsetzung der Arbeit
3 Vorgehensweise, Versuchsplan und Versuchswerkstoff
3.1 Versuchsplan und Versuchseinrichtungen
3.2 Versuchswerkstoff
3.2.1 Mechanische Eigenschaften des Versuchswerkstoffes
3.2.2 Oberflächenbeschaffenheit des Versuchswerkstoffes
3.2.2.1 REM-Aufnahmen, Schliffe senkrecht zur Blechebene
3.2.2.2 Ermittlung verschiedener Rauheitsmaßzahlen
3.2.2.3 Best i mmung des Mikroflächentraganteils
4 Änderung der Oberflächenbeschaffenheit beim freien Umformen
4.1 Rauheitsänderung in Abhängigkeit vom Formänderungszustand
4.2 Änderung der chemi sehen Zusammensetzung der Oberfl ächenrandschicht
5 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf das tribologische Verhalten
5.1 Modellversuch Streifenziehen ohne Umlenkung
5.1.1 Veränderung der Oberflächenmikrogeometrie
5.1.2 Aussagekraft von Oberflächenmaßzahlen hinsichtlich des tribologischen Verhaltens
5.1.3 Einfluß der Ziehgeschwindigkeit
5.1.4 Einfluß der Temperaturentwicklung in der Wirkfuge
5.1.5 Einfluß des Schmierstoffs
5.1.6 Einfluß von Werkzeugwerkstoff und Oberfl ächenbehandlung
5.2 Modellversuch Streifenziehen mit Umlenkung
5.2.1 Oberflächenwandlung beim Streifenziehen mit Umlenkung
5.2.2 Oberflächenwandlung beim Streifenzeihen mit Umlenkung und mit Ziehleisten
6 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf das Tief-, Streck- und Karosserieziehverhalten
6.1 Tiefziehteil mit quadratischem Querschnitt und ebenem Boden
6.1.1 Formänderungs- und Rauheitsanalyse
6.1.2 Entwicklung der Flächenpressung im Flanschbereich
6.1.3 Reibkraftanteil in Abhängigkeit von der Ziehtiefe
6.2 Tiefziehteil mit kreisrundem Querschnitt und ebenem Boden
6.2.1 Ziehreserve in Anlehnung an Engelhardt
6.2.2 Einfluß von Schmierstoff, Auftragsart und Schmierstoffmenge
6.2.3 Grenzziehverhältnis ßmax
6.3 Streckzi ehteil mit quadratischem Querschnitt und ebenem Boden
6.4 Ziehteil mit kreiszylindrischem Querschnitt und halbkugelförmigem Boden
6.4.1 Formänderungsverteilung
6.4.2 Ziehreserve in Anlehnung an Engelhardt
6.4.3 Formänderungs- und Reibungsverhalten bei Streckziehbeanspruchung
6.5 Karosserieziehteil
7 Weiterverarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften umgeformter Blechoberflächen
7.1 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf das Widerstandspunktschweißen
7.2 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf die Lackierung
7.3 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf die Korrosionsbeständigkeit nach dem Lackieren
8 Folgerungen für die industrielle Praxis
8.1 Anforderungen an die optimale Oberflächenfeingestalt
8.2 Hinweise für die Erzeugung definierter Oberflächenfeinstrukturen durch Walzen
9 Zusammenfassung und Ausblick
Anhang
Schrifttum