Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 350

Tribologische Optimierung beim Tiefziehen durch Servopressen

efb350.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Norman Möller Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt

212 Seiten (sw, 143 Abb., 26 Tab., )

ISBN: 978-3-86776-388-2

Preis (Digital) EUR 79,00

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Projektes konnte der Einfluss der Geschwindigkeit auf die Reibung und somit auf die Prozesskräfte beim Tiefziehen nachgewiesen werden. Die Methode der numerischen Simulation erlaubt eine qualitative Vorhersage dieser Effekte, was eine Identifizierung geeigneter Prozesse für die tribologische Optimierung durch Servopressen möglich macht. Dies ist in besonderem Maße hilfreich bei der Auslegung von Prozessen mit komplexen Geometrien und kritischen Ziehverhältnissen, welche durch die maximal durch das Bauteil übertragbaren Kräfte limitiert sind.
Die Geschwindigkeitsabhängigkeit wurde anhand von Reibversuchen für verschiedene tribologische Systeme untersucht. Hierbei kamen verschiedene Blechwerkstoffe, ebenso wie verschiedene Schmierstoffe zum Einsatz.

Unter Verwendung der experimentell ermittelten Abhängigkeiten der Reibzahl wurde anhand der numerischen Simulation eine Abschätzung vorgenommen. Auf diese Weise wurde das Potential der Kraftreduzierung durch die gezielte Geschwindigkeitsbeeinflussung für das Tiefziehen eines Rundnapfes vorhersagt.

Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wurden experimentelle Versuche anhand eines Tiefziehprozesses mit rotationssymmetrischer Geometrie durchgeführt. Die Kraftmessungen zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Prozesskräfte von der Prozessgeschwindigkeit. Diese Abhängigkeit wiederum wird maßgeblich durch die Eigenschaften des jeweiligen tribologischen Systems bestimmt.

Weitere Untersuchungen an einem nicht rotationssymmetrischen Werkzeug wurden herangezogen, um den anhand der Rundnapfgeometrie erfolgten Nachweis der Geschwindigkeitsabhängigkeit zu bestätigen. Weiterhin wurden mit dieser Versuchsanordnung Optimierungsansätze aufgezeigt, die eine gezielte Kraftreduzierung beim Tiefziehen ermöglichen.

Ein Vergleich von simulierten mit experimentell ermittelten Prozesskräften hat gezeigt, dass weitere Parameter, welche bisher in der Simulation nicht, oder nur selten und mit großem Aufwand berücksichtigt werden können, einen wesentlichen Einfluss auf die Tribologie besitzen. Hierzu zählt die während des Prozesses erzeugte Wärme, welche sowohl durch Reibung aber auch durch den Umformvorgang selbst entsteht, als auch die Veränderung der Oberflächeneigenschaften aufgrund hoher Flächenpressungen.
Diesen Ausführungen folgend konnten alle Ziele des Projektes erreicht werden.

Das IGF-Vorhaben „Tribologische Optimierung beim Tiefziehen durch Servopressen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16149N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 350 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abkürzungsverzeichnis
1 Zusammenfassung
2 Einleitung
3 Stand der Technik
3.1 Kombiniertes Tief- und Streckziehen
3.2 Reibung
3.2.1 Reibungszustände
3.2.2 Einflüsse auf den Reibkoeffizienten
3.2.3 Mathematische Beschreibung der Reibung
3.3 Tribologische Verhältnisse beim Tiefziehen
3.4 Tribologische Charakterisierung von Tiefziehprozessen
3.4.1 Modellversuche für die Reibzahlermittlung
3.5 Geschwindigkeitscharakteristik konventioneller, mechanischer Pressen
3.6 Geschwindigkeitscharakteristik von Servopressen
3.7 Geschwindigkeitsabhängigkeit des Umformverhaltens metallischer Blechwerkstoffe
3.8 Prozessgrenzenerweiterung beim Tiefziehen durch Optimierung der tribologischen Verhältnisse
3.9 Zusammenfassende Bewertung des Standes der Technik
4 Zielsetzung und Aufgabenstellung
4.1 Forschungsziel
4.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse
4.1.2 Vorgehensweise
4.1.3 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
5 Versuchs- und Messeinrichtungen
5.1 Versuchseinrichtungen
5.1.1 Reibversuchsanlage
5.1.2 Zugversuch
5.1.3 Servopresse
5.1.4 Automatische Ronden-Beölungsanlage
5.1.5 Manuelle Beölungseinrichtung
5.1.6 Tauchbadbeölung
5.2 Messeinrichtungen
5.2.1 GOM-Aramis
5.2.2 Präzisionswaage
5.2.3 Auflagensensor
5.2.4 Konfokales Weißlichtmikroskop
5.2.5 Bügelmessschraube
5.2.6 Thermografiekamera
5.3 Simulations-Software
6 Versuchswerkstoffe
6.1 Werkzeugwerkstoff
6.2 Blechwerkstoffe
6.2.1 Aluminium AA5182 (AlMg4,5Mn0,4)
6.2.2 Höherfester Stahl HC340LA (Werkstoffnummer 1.0548)
6.2.3 Weicher Tiefziehstahl DC04 (Werkstoffnummer 1.0338)
6.3 Schmierstoffe
7 Versuchsplanung
7.1 Statistische Versuchsplanung
7.1.1 Festlegung von Ziel- und Einflussgrößen
7.1.2 Festlegung der Faktorgrenzen
7.1.3 Bestimmung und Behandlung von Störgrößen
7.2 Reibversuche
7.2.1 Festlegung von Ziel- und Einflussgrößen
7.2.2 Anpassung der Versuchspläne an die vorhandenen Rahmenbedingungen
7.3 Tiefziehversuche Rundnapf, Phase 1
7.3.1 Versuche mit AA5182
7.3.2 Versuche mit dem DC04
7.4 Tiefziehversuche Rundnapf, Phase 2
7.4.1 Abweichende Parameter im Vergleich zu Phase 1
7.4.2 Versuchsplanung
7.5 Tiefziehversuche Rechteck
7.5.1 Planung der Tiefziehversuche
8 Versuchsdurchführung und -auswertung
8.1 Reibversuche
8.1.1 Durchführung der Reibversuche
8.1.2 Aufgabenstellung bei der Auswertung der Reibversuche
8.1.3 Vergleich verschiedener Auswerteparameter
8.1.4 Auswertung der Reibversuche
8.2 Tiefziehversuche Rundnapf (Phase 1)
8.2.1 Durchführung der Tiefziehversuche
8.2.2 Auswertung der Tiefziehversuche (Phase 1)
8.3 Tiefziehversuche Rundnapf (Phase 2)
8.4 Tiefziehversuche Rechtecknapf
8.4.1 Bestimmung der Zuschnittsgeometrie
8.4.2 Durchführung der Tiefziehversuche mit Rechteckgeometrie
8.5 Planung der numerischen Untersuchungen
8.5.1 Modellbildung 2D-Simulation Rundnapf
8.5.2 Modellbildung 3D-Simulation Rechtecknapf
9 Versuchsergebnisse
9.1 Reibversuche
9.1.1 Einfluss der Gleitgeschwindigkeit
9.1.2 Einfluss der Oberflächenstruktur
9.1.3 Einfluss der Kontaktnormalspannung
9.1.4 Einfluss der Schmierstoffviskosität und Schmierstoffmenge
9.1.5 Einfluss der Schliffrichtung des Werkzeuges
9.2 Tiefziehversuche
9.2.1 Ergebnisse der Tiefziehversuche mit rotationssymmetrischer Geometrie (Phase 1)
9.2.2 Ergebnisse der Tiefziehversuche mit rotationssymmetrischer Geometrie (Phase 2)
9.2.3 Ergebnisse der Tiefziehversuche mit nicht-rotationssymmetrischer Geometrie
9.2.4 Optimierung der Stempelgeschwindigkeitsverläufe
10 Ergebnisse der numerischen Simulationen
10.1 Abschätzung der Prozesskraftreduzierung durch eine Geschwindigkeitsbeeinflussung
10.1.1 Kraftverläufe
10.1.2 Einfluss der Blechdicke
10.1.3 Energiebetrachtung
10.1.4 Blechdickenverteilungen
10.1.5 Zusammenfassung der Potenzialabschätzung
10.2 Zusätzliche Simulationen für den direkten Vergleich von Experiment und Simulation
10.2.1 Rundnapfgeometrie
10.2.2 Rechteckgeometrie
10.3 Skalierung des Modells für die Übertragbarkeit auf größere Teile
10.3.1 Bestimmung des Reibkraftanteils
10.3.2 Ergebnisse der Simulationen mit vergrößerten Oberflächen
10.3.3 Gegenüberstellung der Reibkraftanteile für verschiedene Skalierungsfaktoren
10.3.4 Alternative Bestimmungsmethode des Reibkraftanteils
11 Vergleich von Numerik und Experimenten
11.1 Prozesskraftvergleich
11.2 Untersuchung der möglichen Ursachen für die Diskrepanzen zwischen Simulations- und experimentellen Ergebnissen.
11.2.1 Blechdickenverläufe
11.2.2 Kontaktnormalspannungen
11.2.3 Oberflächeneinebnung / Schmierstofftransport
11.2.4 Temperatureinflüsse
11.2.5 Numerische Effekte
11.2.6 Geometrievergleich Rechtecknapf
12 Prozessauslegung
12.1 Auswahl geeigneter Prozesse
12.1.1 Reines Tiefziehen
12.1.2 Kombinierte Tief- und Streckziehprozesse
12.2 Gestaltung von Geschwindigkeitsverläufen
13 Fazit
13.1 Einfluss der Geschwindigkeit auf die Tribologie
13.2 Eignung der numerischen Simulation für die Abschätzung des Geschwindigkeitseinflusses
13.3 Übertragbarkeit von Reibwerten aus Reibversuchen auf den Tiefziehprozess
13.3.1 Flächenpressung
13.3.2 Temperatur
14 Ausblick
15 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittelständige Unternehmen (KMU)
15.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse
15.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU
16 Literaturverzeichnis
17 Abbildungsverzeichnis
18 Tabellenverzeichnis