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EFB-Forschungsbericht Nr. 303

Generierung lokaler, hydrostatischer Druckschmierungszustände beim Tiefziehen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Christian Klöpsch, Dipl.-Ing. Norman Möller, PtU Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt

70 Seiten (sw 31, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-338-7

Preis (Digital) EUR 49,00

Preis (Print) EUR 55,00

Zusammenfassung

Beim Tiefziehen ist die erreichbare Komplexität der Blechformteile beschränkt. Um das realisierbare Formenspektrum und die Prozessstabilität zu erhöhen, ist es zweckdienlich, die Reibkräfte zu reduzieren. Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines tribologisch optimierten Tiefziehverfahrens, dem Tiefziehen mit hydrostatischer Druckschmierung.

Dabei wird gezielt ein Druckpolster zwischen Blech und Werkzeug erzeugt. Aufgrund dieser Trennung der Reibpartner wird die Reibkraft in der Wirkzone reduziert und die Gesamtzugkraft gesenkt. Bauteilversagen während der Umformung tritt aufgrund reduzierter Prozesskräfte und verbesserten Reibungsbedingungen später auf als beim konventionellen Tiefziehen. In einem ersten Schritt wurden zwei Versuchsgeometrien definiert.

Anhand einer rotationssymmetrischen Geometrie sollte grundlegendes Prozessverständnis gewonnen werden. Eine nicht-rotationssymmetrische Geometrie steigerte die Komplexität des Prozesses, um industrienahe Umformprozesse nachzubilden. Um die Druckschmierung optimal auf den Tiefziehprozess abstimmen zu können, haben numerische Untersuchungen mit Hilfe der Finite-Element-Methode die Möglichkeit eröffnet, die Kontaktnormalspannungsverteilungen an den Werkzeugen ausführlich zu untersuchen. Dabei wurden relevante Prozess-, Geometrie- und Halbzeugparameter variiert, um ihren Einfluss auf die Kontaktnormalspannungsverhältnisse zu bestimmen.

Die Ergebnisse zeigten für beide Modellgeometrien stets eine charakteristische Kontaktnormalspannungsverteilung, die eine ausgeprägte erste Konzentration im oberen Ziehradienbereich und eine flachere zweite im unteren Bereich aufweist. Hierbei ist die erste Konzentration auf einen kleinen Winkelbereich von max. 10° begrenzt, während sich der zweite über einen wesentlich größeren Winkelbereich erstreckt, aber einen kleinen Betrag hat. Für eine theoretische Beurteilung des Verfahrensvorteils einer Druckschmierung gegenüber dem konventionellen Tiefziehen wurden die FE-Modelle um Druckschmierungselemente nach den Erkenntnissen der Belastungsanalysen der Werkzeuge ergänzt.

So lassen die Ergebnisse der Prozesssimulation für die rotationssymmetrische Geometrie eine erzielbare Ziehkraftreduktion von bis zu 6,5 % und für die nicht rotationssymmetrische bis zu 12,3 % erkennen. Nachfolgend wurden die Werkzeuge für experimentelle Untersuchungen entwickelt, wobei konventionelle Tiefziehwerkzeuge als Konstruktionsgrundlage dienten, die um Elemente zur Erzeugung der hydrostatischen Druckschmierung ergänzt wurden. Darüber hinaus wurde für eine industrielle Anwendbarkeit unter ökonomischen und ökologischen Gesichtpunkten ein geschlossener Schmiermittelkreislauf realisiert. Die Ergebnisse der Realversuche zeigten generell einen Verfahrensvorteil des Tiefziehens mit hydrostatischer Druckschmierung gegenüber dem konventionellen Prozess.

Anhand der Ergebnisse wurde deutlich, dass Variationsparameter einen unterschiedlich starken Einfluss auf das Prozessergebnis ausübten. So zeigte sich zum Beispiel, dass sich bei einem kleinen Werkzeugradius (4,8 mm) nur geringe Zugkraftreduktionen von 2,8 % realisieren ließen, während ein vergrößerter Ziehkantenradius (8 mm) zu einer mit 12 % vielfach größeren Zugkraftreduktion führte. Weiterhin ergab sich bei weicheren Werkstoffen eine größere Ziehkraftersparnis. Bei der Anwendung von Al99.5 konnte eine Ziehkraftreduktion um bis zu 18,9 % erzielt werden. Darüber fiel der Verfahrensvorteil bei der Rechteckgeometrie gegenüber der rotationssymmetrischen Geometrie geringer aus.

So bewirkt eine lokale Druckschmierung nur in den umformkritischen Eckbereichen der Rechteckgeometrie mit 4,8 % das beste Ziehergebnis. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass sich das Grenzziehverhältnis beim rotationssymmetrischen Napf von ß = 2,0 im konventionellen Prozess auf ß = 2,1 im Tiefziehprozess mit hydrostatischer Druckschmierung steigern ließ. Darüber hinaus ließ sich bei den untersuchten Aluminiumlegierungen AlMg3 und Al99.5 eine Verbesserung in Hinblick auf adhäsiven und abrasiven Verschleiß feststellen.

Während in den Untersuchungen bereits interessante und viel versprechende Vorteile des Tiefziehens mit hydrostatischer Druckschmierung nachgewiesen werden konnten, eröffneten die experimentellen Untersuchungen im gleichen Zuge einige Ansätze zur weiteren Verfahrensoptimierung. So sind Optimierungsansätze in Form von Werkzeugstrukturierungen und Mikrobohrungen denkbar, die sich mit einer Verbesserung der Effektivität der hydrostatischen Druckschmierung beschäftigen, aber auch mit einer Reduktion der Störwirkung der Druckschmierungskanäle.

Das Forschungsvorhaben „Generierung lokaler, hydrostatischer Druckschmierungszustände beim Tiefziehen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15086N 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. 303 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Formelzeichen
Formelzeichen, griechische Buchstaben
Abkürzungen
1   Einleitung
2   Stand der Technik
2.1   Tribologische Verhältnisse beim kombinierten Tief- und Streckziehen
2.2   Maßnahmen zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen
2.3   Prinzip der hydrostatischen Druckschmierung
3   Zielsetzung und Aufgabenstellung
4   Vorgehensweise
5   Versuchswerkstoffe, Werkzeuge und Versuchsanlage
5.1   Versuchsmittel
5.2   Auslegung der Versuchsgeometrien
5.3   Werkzeugkonzept und Integration der Druckschmierung
5.4   Realisierung eines Druckschmierungskreislaufes
5.5   Steuerung der hydrostatischen Druckschmierung
5.6   Pressensystem
6   Numerische Kontaktnormalspannungsanalyse der Werkzeuge
6.1   Numerische Beanspruchungsanalyse
6.1.1   Auswertemethodik und Referenzversuch
6.1.2   Sensitivitätsanalyse relevanter Parameter anhand der rotationssymmetrischen Geometrie
6.1.3   Ergebnisse der nicht-rotationssymmetrischen Geometrie (Rechteck-Geometrie)
6.2   Fazit der numerischen Belastungsanalyse
7   Numerische Potenzialanalyse der hydrostatischen Druckschmierung
7.1   Modellbildung
7.2   Numerische Prozesssimulation
7.3   Diskussion der numerischen Ergebnisse
8   Experimentelle Untersuchungen
8.1.1   Referenzversuch zur Beschreibung des prinzipiellen Verfahrensablaufes
8.1.2   Parametervariation beim Tiefziehen mit hydrostatischer Druckschmierung (rotationssymmetrischer Napf)
8.1.3   Validierungsuntersuchungen an der nicht-rotationssymmetrischen Geometrie (Rechtecknapf)
8.1.4   Zusammenfassung der experimentellen Ziehkraftbetrachtungen
8.1.5   Formänderungsanalyse der Blechformteile
9   Prozessführung und -gestaltung
10   Zusammenfassung und Ausblick
11   Literaturverzeichnis