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Stahl-Zentrum|1
Zielgerichtete Auswahl und Applikation von Umformschmierstoffen für den optimierten Einsatz in der Warmumformung
Tilo Reichardt, Delphine Rèche – VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Werkstoffwoche14-17.09.2015Dresden
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|
Vortragsübersicht
2 14.05.2015
1. VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH2. Hintergrund – Schmiermitteleinsatz in der
Warmumformung3. Aufbau des Tribotherm Versuchsstandes4. Ausgewählte Ergebnisse5. Schlussfolgerung und Ausblick
T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
| 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH3
im Stahl-Zentrum Düsseldorf
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|4 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
■ Privates Forschungsinstitut■ Gegründet 1968■ Gemeinnützige GmbH■ Gesellschafter: Stahlinstitut VDEh■ 115 Mitarbeiter, davon 75 % mit Hochschulausbildung■ Haushalt ca. 15 Mio €
■ Grundfinanzierung: VDEh-Zuschuss (bis zu 6%)■ Forschungsprojekte: Industrie, EU, National, Regional
VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI)
Stahl-Zentrum|5 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Angewandte Forschung
Energie und Wärmetechnik
Chemie- und Strömungstechnik
Prozess- und Anlagentechnik
Prozessfluide und Wasserwirtschaft
Umwelttechnik und Kreislaufschließung
Qualitätssicherung und Informationstechnik
Automatisierungstechnik und Prozesssimulation
Analyse- , Mess-und Prüftechnik
Werkstoff- und Oberflächentechnik
Stahl-Zentrum|
Research Initiative for European Steel (RIES)
6 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
■ Virtuelles Netzwerk angesehener Stahl-Forschungsinstitute ■ Ziel : Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Stahlindustrie■ Enge Verbindung mit Eurofer, ESTEP und SPIRE
■ Koordinierung und Abstimmung der Forschungsaktivitäten■ Unabhängige Beratung zur Stahl-Forschung in Europa (Roadmaps, Agenden)■ Koordinierte Strategie gegenüber RFCS, EUBsp: F&E Themen für SPIRE, Grünbuch H2020, Konsultation EFR, RFCS-Kolloquien
Stahl-Zentrum|
Organisation BFI
7 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Qualitäts- und Informationstechniken
Holzknecht
Prozesstechnik Roheisen
Hauck
Prozessmess- und Prüftechnik
Köchner
Prozessautomatisierung Stahlerzeugung
Kleimt
Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen
Polzer
Strömungstechnik und Schmelzmetallurgie
Rödl
ProzesstechnikUmform- und Veredlungsanlagen
Reichardt
Industrieofen und Verbrennungstechnik
Stranzinger (kom.)
Gastechnik und Energiewirtschaft
Stranzinger
Prozesschemie und Ressourcentechnologie
EinsatzstoffeHensmann
Ressourcentechnologie Flüssige Medien
Kozariszczuk
Mess- undAutomatisierungstechnik
Peters
GeschäftsführungPatente, Lizenzen | Forschungsförderung | Personal | Finanz- und Rechnungswesen
Sievering / Peters / Poß / Buoncuore
ProzesstechnikReichardt
Energie- und Ressourcentechnik
Sievering (kom.)
Stahl-Zentrum|
Fachbereich „Prozesstechnik“
VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
8 29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|
Prozesstechnik
Prozess-Beschreibung und -optimierung
Prozess-Simulation und Modellierung
Prozessführung und angewandte Verfahrenstechnik
Entwicklung und Einführung neuer Technologien
29 Mitarbeiter – 23 Ingenieure, 6 Techniker
3 Fachabteilungen, Versuchsfeld, Chemisch-Physikalisches Labor
5 M€ Budget
ca. 30 geförderte F&E-Projekte pro Jahr
Vertragsforschung im Umfang von ca. 0,8 M€ pro Jahr
9 29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|
Prozessregelung
Energetische Optimierung
Prozessoptimierung
Prozess-überwachung
Prozesstechnik Roheisen
Intelligente Prozessführung
Spezialmessungen
Modellierung
Permeabilitätssonde
Durchsatzoptimierung
3 29.05.2013 · T. Hauck · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|
Physikalische Simulationsverfahr
en
Optimierung für Transport, Mischen, Trennen und Reaktion
Gaskonditionierung und -nutzung
Hallenbelüftung und -absaugung
Block- und Formguß
Luftreinhaltung und Staubabscheidung
Flüssig- und Erstarrungsmetallurgie
Anlagen-optimierung
Stahlerzeugung und Strangguß
Anlagen- und Prozessentwicklung
Strömungstechnik und Schmelzmetallurgie
11 29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|12
Verfahren zur Oberflächen-veredelung und
Oberflächencharakterisierung
Galvanotechnik und Elektrochemie Tribologie und Verschleiß
Prozesstechnik Umform- und Veredlungsanlagen
29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Anlagenmanagement
Prozessoptimierung
Zunderkonditionierung und Verzunderschutzsysteme
Stahloberfläche
Stahl-Zentrum|
Hintergrund – Situation beim Warmumformen
Einflüsse auf Produkt und Werkzeug■ Hoher thermischer und mechanischer
Verschleiß
■ Zyklische Erwärmung und Abkühlung erzeugt Spannung im Werkzeug
■ Überlastungen und normaler Verschleiß führen zur Oberflächenzerrüttung, Brandrissen, Abplatzungen und somit zu Oberflächendefekten
Lösungsansätze■ Hoher Kühlwassereinsatz zur Werkzeugkühlung
■ Verbesserte Walzenwerkstoffe
■ Einsatz von Verschleißschutzbeschichtungen
■ Schmiermitteleinsatz zur Verminderung lokaler Verschleißmaxima und Walzkraftverringerung
13 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Stahl-Zentrum|14 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Hintergrund – Verfügbare tribologische Tests
Testverfahren untersuchen die Eigenschaften bei Raum- oder leicht erhöhter Temperatur aber nicht im Hochtemperaturbereich
PIN & VEE test SRV-test plane strain compression test
Block-on-ring test Mini Traction Machine
Load scanner
EHL-test
Stahl-Zentrum|15
Entwicklung und Konstruktion eines Verschleißprüfstandes zur individuellen Untersuchung und Auswahl von Umformschmierstoffen für die Warmformgebung
■ Verfügbarkeit einer variablen tribologischen Versuchseinreichtung für Hochtemperaturanwendungen
■ Gezielte Auswahl von Schmierstoffen, Coatings und Werkstoffen für die Warmumformung
■ Individuelle Auswertung von Verschleißraten (garvimetrisch), Verschleißtopographie und Drehmoment als Indikator für Schmiermittelwirksamkeit
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Zielstellung
Stahl-Zentrum|16 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
InduktiveErwärmung
Drehmoment-erfassung
Frequenzgesteuerter Motoroberer und unterer Zylinder
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Tribotherm – Erste Konfiguration
Einheit Wert
Zylinderumdrehungen [U/min] bis 900
Schlupf – Verzahnung [%] Fix
Gewicht [kg] Bis 60 kg
Temperatur oberer Zylinder [°C] bis 850
Temperatur unterer Zylinder [°C] ~250
Stahl-Zentrum|17
8
8,2
8,4
8,6
8,8
9
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9,4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit in Sekunden
Dre
hmom
ent i
n N
m u
nd D
ruck
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0
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500
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800
Tem
pera
tur i
n °C
und
Dre
hzah
l in
U/m
in
Druck Medium [bar]Drehmoment [Nm]Frequenz Motor [Hz]Drehzahl [U/min]Pyrometer TX [ーC]
Erste Versuche – Auswertung
> 30 Sekunden
Run-in-Effekt, Stabiles Drehmoment unter bei gegebenen Testparametern
Tribotherm – Erste Versuche zur Kalibrierung
Stahl-Zentrum|18
Erste Versuche – Reproduzierbarkeit
8,0
8,2
8,4
8,6
8,8
9,0
9,2
9,4
9,6
9,8
10,0
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325
Zeit in Sekunden
Dre
hmom
ent i
n N
m
0
100
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300
400
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600
700
800
Tem
pera
tur i
n °C
und
Dre
hzah
l in
U/m
in
Druck Medium [bar]Drehmoment [Nm]Frequenz Motor [Hz]Drehzahl [U/min]Pyrometer TX [ーC]
Gute Reprodutierbarkeit der Versuchsergebnisse
Tribotherm – Erste Versuche zur Kalibrierung
Stahl-Zentrum|
40 mm
19 22.04.2015
Untersuchungen und betriebliche Einsätze mit guten Ergebnisse aber auch Nachteilen
Messzonen
T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Erste Versuchsreihen Tribotherm
Hoher mechanischer Verschleiß, Temperaturniveau und Materialabtrag inhomogen
Stahl-Zentrum|20
Tribotherm Neukonzept:
Antrieb untere Walze
Antrieb obere Walze
Drehmomentgeber untere Walze
Induktionsspule
Obere Walze (Versuchswerkstoff)
Untere Walze (Warmarbeitsstahl)
Belastungsgewichte
CAD-Zeichnung: Tribotherm vor dem Umbau
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|
Frequenzgestuerte Motoren, individuell angesteuert
Bis 100 kg
oberer und unterer Zylinder
Induktive Erwärmung
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Drehmoment-erfassung
Tribotherm – Überarbeitung und Neukonzept
Einheit Wert
Zylinderumdrehungen [U/min] bis 900
Schlupf [%] Variabel
Gewicht [kg] bis 100
Temperatur oberer Zylinder [°C] bis 1000
Temperatur unterer Zylinder [°C] ~250
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|22
Tribotherm - Beschreibung
■ Parametervariationenen- Zylinder
• Material• Rauhigkeit• Beschichtungen
- Schmiermittel• Art (Öl, Emulsion, Konzentration)• Durchfluss• Düsentyp (Flachstrahl, Vollkegel,….)
- Umfangsgeschwindigkeit- Schlupf- Flächenpressung
■ Das Drehmoment wird oben und unten kontinuierliche aufgezeichnet
Video of a Tribotherm test
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|23
Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung
■ Drehmomentsverlauf
Testparameter:
• 300 U/min (kein Schlupf)• keine Schmiermittelaufgabe
Stabiles Drehmoment unter bei gegebenen Testparametern
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|24
■ Einfluss des Schlupfes auf das Drehmoment
Das Drehmoment verhält sich analog zur Rollengeschwindigkeit
Testparameter:• 300 U/min obere Rolle• 285 – 315 U/min untere Rolle• Schlupf: -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|25
■ Einfluss der Umdrehungsgeschwindigkeit (600 oder 900 U/min)Testparameter:
• 600 U/min für obere Rolle• 570 - 630 U/min untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz
Testparameter:
• 900 U/min für obere Rolle• 855 - 945 U/min für untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Widerholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz
Drehmoment verhält sich analog zur Drehzahlver-änderung
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Stahl-Zentrum|26
Testparameter:
• 900 U/min obere Rolle• 855 - 945 rpm für untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz
Anlagendurchwärmung bedingt einen temperarurbegingten Abfall des Drehmomentes – zusätzliche Kühlung und Temperaturmessungen erlauben die Vermeidung / Kompensation bei der Auswertung
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
■ Messungenauigkeiten Drehmoment
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung
Stahl-Zentrum|27
■ Schmiereffekt auf das Drehmoment (mit Emulsion)
Schmiermitteleinsatz zeigt wesentlich stärken Effekt als Wasser Weitgehend stabile Temperatur bei Schmiermitteleinsatz
Testparameter:
• 300 U/min obere Rolle• 294 - 300rpm untere Rolle• Schlupf : 0% / 2% (“ Wiederholungen)• O/W-Emulsion (2% Öl)• Schmierung während 5, 10 and 15 s (2 Wiederholungen)
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage
Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung
Stahl-Zentrum|28
Tribotherm – Schmiermitteleinsatz – Variation Durchfluss
Auswertung des Drehmoments als Indikator für die Schmiermittelwirksamkeit
Dehmomentsreduzierung nimmt mit erhötem Schlupf und Schmiermitteldurchfluß zu –Sättigung wird erreicht
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Ausgewählte Ergebnisse
Testparameter:
• 300 U/min obere Rolle• Temperatur obere Rolle: 860 - 880°C• Schlupf: 0%-2%-5% (294 - 300 U/min untere Rolle) (2 Wiederholungen)• 10 s Schmierung in jederSchlupfeinstellung• Durchfluss Düse: 1,4 l/min bei 5 bar
Stahl-Zentrum|29 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Ausgewählte Ergebnisse
Tribotherm – Schmiermitteleinsatz – Variation KonzentrationDie Verminderung des Drehmoments wird als Indikator für die Schmiermittelwirksamkeit verwendet
Testparameter:
• 300 U/min obere Rolle• Temperatur obere Rolle: 860 - 880°C• Schlupf: 0%-2%-5% (294 - 300 U/min untere Rolle) (2 Wiederholungen)• 10 s Schmierung in jederSchlupfeinstellung• Variation Schmiermittelkonzentration0,%-1%-2%• Durchfluss Düse: 1,4 l/min bei 5 bar
Dehmomentsreduzierung nimmt mit steigendem Schlupf und steigenderSchmiermittelkonzentration zu
Stahl-Zentrum|30
Konstruktive Merkmale■ Temperaturen von bis zu 1000 °C können erreicht werden■ Die gezielte reproduzierbare Variation verschiedener Testparameter
ist möglich (Walzgeschwindigkeit, Flächenpressung, Schlupf) Anwendung der Tribotherm ■ Qualitativer Vergleich von Schmiermitteln für die Warmumformung
unter Variation von Durchfluss, Schmiermittelart und –konzentration,Düsenauswahl, etc…
■ Vergleich der Verschleißneigung und Verschleißentwicklung■ Bewertung der Oberflächentopographie und Rauheiten■ Transfer auf den industriellen Prozess
– Auswahl Schmiermittel, Konzentrationsniveau und Applikation in Abhängigkeit vom Umformgrad, Material und Materialfluss
Ausblick■ Gezielter Abgleich und Ergänzung vorhandener tribologischer Tests■ Weiterentwicklung der Anlage ist Bestandteil der laufenden Projekte
Tribotherm – Zusammenfassung
14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Zusammenfassung und Ausblick
Stahl-Zentrum| 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Acknowledgements:
Die Arbeiten wurden gefördert durch den Research Fund for Coal and Steel (RFCS) der Europäischen Union (LPRollCoat, RFSR-CT-2010-00009, EfficientLubrication, RFS-CT-2013-00008) und demEuropäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) - Disper-Therm, 4200453852.
Kontakt:Dipl.-Ing. Tilo ReichardtTel.: +49 211 6707-308Fax: +49 211 6707-202tilo.reichardt@bfi.de
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VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
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