Trockenumformung mit lokal angepassten tribologischen Bedingungen
Antragsteller: Merklein, Schmidt, Tremmel (Erlangen)
Werkstoffe: Aluminiumbleche, verzinkten Tiefziehstahl DC04
Methoden: Tiefziehen, Trockentiefziehen, Oberflächenmodifikation
Publikationen
Stand 1. Juni 2020
SPP1676_Publications_Merklein_Schmidt_Tr[...]
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Final Report
Abschlussbericht (in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_228-261_Henneberg.pdf
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In konventionellen Tiefziehprozessen werden Schmierstoffe zur Reduktion von Reibung und Verschleiß eingesetzt. Motiviert durch eine effizientere Ressourcennutzung sowie wachsendes Umweltbewusstsein wird ein Verzicht auf umwelt- und gesundheitsschädliche Schmierstoffe angestrebt. Der direkte Werkzeug-Werkstück-Kontakt beim schmierstofffreien Tiefziehen führt zu intensiven Wechselwirkungen. Für adhäsionsanfällige Aluminiumlegierungen bewirkt dies deutlich erhöhte Umformkräfte, sofortigen Werkzeugverschleiß sowie im Falle von AA6014 das frühzeitige Versagen des Blechs. Den zentralen Lösungsansatz zur Realisierung eines Trockentiefziehprozesses stellt in diesem Forschungsvorhaben die Entwicklung eines maßgeschneiderten Werkzeugs mit modifizierten Oberflächeneigenschaften dar. Als reibungs- und adhäsionsmindernde Modifikationen wurden verschiedene amorphe Kohlenstoffschichten gezielt für den Einsatz im Trockentiefziehen weiterentwickelt. Zur gezielten Reibungseinstellung für eine spätere Stoffflusssteuerung wurden laserbasierte Maßnahmen zur Wärmebehandlung, Glättung und Mikrostrukturierung beschichteter Oberflächen untersucht. Dabei wurde auch deren effiziente und vorhersagbare Erzeugung erforscht. In tribologischen Laborversuchen wurde das Einsatzverhalten der Oberflächenmodifikationen analysiert. Vielversprechende Modifikationen wurden auf das Tiefziehwerkzeug übertragen. Das schmierstofffreie Tiefziehen von Rechtecknäpfen mit modifizierten Werkzeugen führte für beide Aluminiumlegierungen zu niedrigeren Umformkräften und höheren Ziehtiefen sowie insgesamt geringerem Verschleiß und erhöhter Qualität der Bauteiloberflächen. Um das langfristige Einsatzverhalten der Modifikationen zu erforschen, wurde zudem ein Prüfstand entwickelt, auf dem zeit- sowie materialeffiziente Versuche unter anwendungsnahen Bedienungen realisierbar sind. Auf diesem Prüfstand wurde nachgewiesen, dass mit ausgewählten Oberflächenmodifikationen je 3 000 Näpfe aus DC04 und AA5182 ohne Verschleiß herstellbar sind und die ursprüngliche Werkzeugstandmenge (ohne Oberflächenmodifikation) von maximal 200 Bauteilen deutlich gesteigert wurde.
English:
Lubricant-free forming with tailored tribological conditions
In conventional deep drawing processes, lubricants are applied in order to reduce friction and wear. However, an efficient usage of resources and an increasing environmental awareness motivate the abandonment of lubricants which are mostly harmful both to the environment and human health. Without lubrication, the direct contact between tool and workpiece leads to an intensive interaction. Especially for aluminum alloys with their high adhesion tendency, this leads to increasing forming forces, immediate tool wear and for AA6014 to premature failure of the blank. The approach for realizing dry deep drawing processes within this research project focuses on the development of tailored modifications for the tool surfaces. To reduce friction and adhesion, amorphous carbon based coatings were developed for the application in dry deep drawing processes. Laser-based modification like heat treatment, smoothing and micro structuring of coated surfaces were investigated to adapt the friction and thus, control the material flow. Therefore, the efficient and predictable modification process was subject of research. In tribological laboratory tests the behavior of the developed modifications was analyzed. Promising modifications were applied on blank holder and die for a dry deep drawing process. The lubricant-free deep drawing of rectangular cups with modified tool surfaces led to the reduction of forming forces and increasing drawing depth as well as decreased wear and improved quality of the sheet surface. In order to investigate the long-term application behavior of the modifications, a test rig was developed on which time- and material-efficient tests can be performed under application-oriented conditions. On this test rig, it was proven that with selected modifications, 3 000 cups each of DC04 and AA5182 can be produced without wear and that the initial tool life of 200 components was significantly improved.
Name: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein
Position:
Projektleitung / project management
E-Mail: marion.merklein@fau.de
Name: M.Sc. Johannes Henneberg
Position:
Projektbearbeiter / project team
Phone: +49 9131 85 27175
E-Mail: johannes.henneberg@fau.de
Name: Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt
Position:
Projektleitung / project management
E-Mail: michael.schmidt@lpt.uni-erlangen.de
Name: M.Sc. Martin Vorndran
Position:
Projektbearbeiter / project team
Phone: +49 9131 85 23237
E-Mail: martin.vorndran@lpt.uni-erlangen.de
Name: Dr.-Ing. Stephan Tremmel
Position:
Projektleitung / project mangement
E-Mail: tremmel@mfk.uni-erlangen.de
Name: M.Sc. Benedict Rothammer
Position:
Projektbearbeiter / project team
Phone: +49 9131 85 25427
E-Mail: rothammer@mfk.fau.de