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EFB-Forschungsbericht Nr. 304

Integration von Werkstoffermüdungseffekten in die Verschleißsimulation von Umformwerkzeugen

EFB304.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Norman Möller, PtU Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt - Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dr.-Ing. Kivilcim Ersoy Nürnberg, utg Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen TU München

91 Seiten (sw, 46 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-339-4

Preis (Digital) EUR 51,00

Preis (Print) EUR 57,00

Zusammenfassung

Die Prozessparameter Geschwindigkeit und Flächenpressung haben einen deutlichen Einfluss auf Art und Menge von Verschleiß der Umformwerkzeuge. Hohe Flächenpressungen erzeugen hierbei einen größeren abrasiven Verschleiß, während eine geringere Geschwindigkeit zu mehr Zinkablagerung auf den Werkzeugen führt und gleichzeitig zu einem stärkeren Effekt durch Oberflächenermüdungserscheinungen. Der Stick-Slip-Effekt scheint hierbei eine große Rolle zu spielen, da ein Zusammenhang zwischen Stick-Slip-Effekt und Zinkabrieb beobachtet werden konnte. Neben Abrasion und Adhäsion spielt auch die Oberflächenzerrüttung eine große Rolle bei der analysierten Werkstoffpaarung, die wiederum durch wechselnde Beanspruchungen, wie sie speziell durch den Stick-Slip-Effekt erzeugt werden, begünstigt wird.

In der Praxis sind geringere Flächenpressungen anzustreben, da sie mit weniger Werkzeugwerkstoffabtrag einhergehen. Dies gilt für den dargestellten Vergleich auf Basis der Reibarbeiten. Wird der Werkzeugverschleiß über den durchgeführten Hüben dargestellt, ist der Unterschied noch größer, da bei höheren Flächenpressungen die Vergleichsreibarbeit bereits früher, d.h. nach weniger Hüben erreicht wird. In der Praxis ist die Anzahl der mit einem Werkzeug durchführbaren Hübe bzw. die Zahl der mit ihm herstellbaren Teile ausschlaggebend für die Bewertung der Standzeit eines Werkzeuges, nicht die ertragene Reibarbeit.

Niedrige Gleitgeschwindigkeiten sind zu vermeiden, da durch sie die Neigung zu Stick-Slip erhöht wird, was mit einer Oberflächenermüdung einhergeht, die zu großen Verschleißvolumina führt. Der Geschwindigkeitsverlauf eines Tiefziehvorganges bietet dabei dank neuester Pressentechnologien ebenfalls eine Möglichkeit, das Verschleißbild, insbesondere den Zinkabrieb, gezielt zu beeinflussen. Das Zink, das sich auf dem Werkzeug befindet, schützt andererseits aber auch das darunter liegende Werkzeugmaterial vor Abrasion, da es zunächst wieder abgetragen werden muss, bevor der Grundwerkstoff betroffen ist. Zink wirkt sich auch positiv auf den Reibkoeffizienten aus. Wenn die Menge des Zinks auf dem Werkzeug ein kritisches Maß nicht überschreitet, kann die Gesamtwirkung daher als positiv betrachtet werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Verschleißprognose entwickelt und verifiziert,
mit der der Verschleiß an den Werkzeugen quantitativ berechnet werden kann. Mit Hilfe einer Kombination von FE-Simulation und experimentellen Messwerten können Verschleißverteilung und –tiefe mit Hilfe der modular aufgebauten Verschleißsoftware REDSY ermittelt werden.

In diesem Projekt wurden die Einflüsse der mechanischen Wechselwirkungen (Flächenpressungen,
Geschwindigkeit, Belastungsart) anhand von Streifenziehversuchen untersucht.
Durch die Berücksichtigung der individuellen Belastungsgeschichte jedes Knotens ist es möglich, mittels der Verschleißsoftware REDSY alle in den Streifenziehversuchen ermittelten Effekte zu integrieren. Da die Effekte in den Versuchen isoliert betrachtet und deren Einflüsse dadurch festgestellt werden, kann der Verschleißkoeffizient als Funktion der im Versuch ermittelten mechanischen Einflussfaktoren implementiert werden.

In den Streifenziehversuchen wurden Geschwindigkeit und Flächenpressung variiert und die Anzahl der Hübe so ausgewählt, dass bei allen Versuchsreihen die gesamte Verschleißarbeit gleich ist. Die Verschleißergebnisse zeigen, dass sich die Geschwindigkeitsänderung nicht auf den abrasiven Verschleiß auswirkt, wenn nur der Werkstoffabtrag berücksichtigt wird. Deswegen kann der Verschleißkoeffizient hierfür unabhängig von der Geschwindigkeit modelliert werden. Die Versuchsergebnisse zeigen auch, dass die Normalkraft eine wichtigere Rolle beim Werkstoffabtrag spielt. Es hat sich gezeigt, dass der Verschleißkoeffizient für das untersuchte Belastungsintervall bei einem linearen Modell als Funktion der Normalkraft implementiert werden kann. Im Vergleich zur konventionellen Berechnung des Verschleißkoeffizienten wird das lineare Modell validiert.

Die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse müssen nun in die Praxis umgesetzt
und um weitere Erkenntnisse ergänzt werden. So sind interessante Ergebnisse bei Versuchen mit anderen Werkzeugwerkstoffen wie beispielsweise Werkzeugstahl und anderen Blechwerkstoffen bzw. Zinkschichten, aber auch mit unverzinktem Blech zu erwarten.
Gerade Versuche mit unverzinktem Blech versprechen weitere interessante Untersuchungsergebnisse, da hier kein Zinkabrieb erfolgen kann.

Weiterhin muss geklärt werden, welche Mechanismen für die Geschwindigkeitsabhängigkeit
des Zinkabriebes verantwortlich sind. Hierfür sind weiterführende Versuche notwendig, die
auch mit anderen Werkzeugwerkstoffen durchgeführt werden können.

Um die Simulationsergebnisse weiter zu verbessern, ist es sinnvoll, in weiterführenden Arbeiten
isoliert die Einflüsse von in dieser Arbeit nicht betrachteten Faktoren, wie z.B. Temperatur,
Schmierstoff sowie Oberflächentextur, auf die Verschleißentwicklung und -verteilung
zu untersuchen. Beispielweise hinsichtlich des Temperatureinflusses wird die Härte von
Werkzeug durch Entfestigungsglühen beim Warmumformen reduziert. Wenn die Härte von
Werkzeug beim REDSY als Funktion der Temperatur implementiert werden kann, ist es
möglich, genauere Verschleißtiefe und -verteilung quantitativ vorherzusagen. Des Weiteren
kann der Schmierstoffeinfluss auf Reibung bei der Reibungsprüftechnik wie Ringstauchversuch
oder ‚Pin on Disc‘-versuch untersucht werden. Durch die Implementierung dieser Ergebnisse
kann das entwickelte Verschleißmodell erweitert werden.   

Das Forschungsvorhaben „Integration von Werkstoffermüdungseffekten in die Verschleißsimulation von Umformwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 14936N 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. 304 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Verzeichnis der Kurzzeichen
1   Einleitung
2   Stand der Technik
2.1   Tief- und Streckziehen
2.2   Tribologie des kombinierten Tief- und Streckziehens
2.2.1   Reibung
2.2.2   Schmierung
2.3   Verschleiß bei der Blechumformung
2.3.1   Verschleißmechanismen
2.3.2   Einflussgrößen auf den Verschleiß
2.3.3   Verschleißprüfung: Streifenziehversuch
2.3.4   Verschleißmodelle
2.3.5   Verschleißsimulation
2.4   Zusammenfassende Bewertung des Stands der Technik
3   Zielsetzung und Aufgabenstellung
4   Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1   Versuchseinrichtungen
4.1.1   Steifenziehanlage
4.1.2   Versuchswerkzeug
4.2   Messeinrichtungen
4.2.1   Konfokales Weißlichtmikroskop
4.2.2   Gravimetrisches Messsystem
4.2.3   Lichtmikroskop
4.2.4   Härtemessgerät
4.2.5   Kraftmessungen
5   Umbau der Streifenziehanlage des PtUs
6   Versuchswerkstoffe
6.1   Werkzeugwerkstoff
6.2   Blechwerkstoffe
7   Versuchsplan
8   Versuchsdurchführung
8.1   Initialvermessung
8.2   Verschleißprüfung
8.2.1   Oberflächentopografie
8.2.2   Massen
8.2.3   Berechnungsverfahren auf Grundlage von gravimetrischen Messdaten
9   Versuchsergebnisse
9.1   Oberflächentopografien (Phase 1)
9.2   Optische Analyse des Zinkabriebes
9.3   Gravimetrische Analyse der Versuchswerkzeuge (Phase 2)
9.3.1   Ebene Werkzeughälften
9.3.2   Zylindrische Werkzeughälften
9.3.3   Erkenntnisse aus der Massenanalyse der Versuchswerkzeuge
9.4   Analyse der Reibkräfte und Reibkoeffizienten
9.5   Chemische Entfernung der Zinkanhaftungen
9.5.1   Massenbestimmung der Zinkanhaftungen
9.5.2   Topografien nach Zinkentferung
9.6   Härtemessungen
10   Ergebnisse der Verschleißprognose-Entwicklung
10.1   Konzeptentwicklung Simulation
10.2   Weiterentwicklung der Verschleißsimulationssoftware
10.3   Modifikation des Verschleißmodells
11   Zusammenfassung und Ausblick
11.1   Zusammenfassung
11.2   Ausblick
12   Verzeichnisse
12.1   Abbildungsverzeichnis
12.2   Tabellenverzeichnis
12.3   Literaturverzeichnis