Tribologie, Tribologie, Schmierung Prozesskette und ... fileTribologie, Schmierung und Topografie in der Prozesskette Rohkarosserie BMW Group 18.2.2003 Seite 2 Tribologie, Schmierung

Tribologie,Schmierung undTopografie in derProzessketteRohkarosserieBMW Group18.2.2003Seite 1

Tribologie, Schmierungund Topografie in derProzesskette Rohkarosserie.

Dr.-Ing. J. StaevesBMW GroupTechnologie lackierte Karosserie


Tribologie, Schmierung und Topografie in derProzesskette Rohkarosserie.Inhalt.Tribologische Systeme der Karosserieumformung

KarosseriewerkstoffeBlechbeschichtungenSchmierstoffeinsatz in der SerienfertigungWerkzeugwerkstoffe und Werkzeugbeschichtungen

Prüfverfahren zur Beurteilung der UmformbarkeitBauteilversucheModellversucheMessmethoden

BlechtopografieDressierverfahrenTribologische Wirkmechanismen der TopografieRauheitskenngrößenExperimentelle Untersuchungen

Zusammenfassung


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Karosseriewerkstoffe.

weiche Stähle

höherfeste Stähle

Stahlbleche Aluminium Kunststoffe Magnesium

Unlegiert DC01-5

mikroleg. DC06

mikrolegiert H260LA-H420LA

phosphorlegiert H180P-H300P

isotrop H220I-H300I

interstitial free H180Y-H300Y

Dualphasen H270X-H340X

TRIP-Stähle TRIP 700-800

CP u. MS-Stähle CP 800-1200

Bake Hardening H180B-H300B


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Stahlwerkstoffe.

mikrolegiert H260LA-H420LA

phosphorlegiert H180P-H300P

isotrop H220I-H300I

interstitial free H180Y-H300Y

Dualphasen H270X-H340X

TRIP-Stähle

Complexphasen

unlegiert DC01-DC05

IF weich (mikrol.) DC06

Martensitphasen

ZStE260-ZStE420

ZStE180P-ZStE300P

HIZ 220, ZStE220 i

IF180, ZStE180 IF

DP500, DP 30/50

TRIP 700-800, RA-K 40/70

CP 800-1200

FeP01-Fep05, St12, St14

FeP06

MS 800, TMS 800

Art des Stahls(Güte/Sorte)

AktuelleBezeichnung

WeitereBezeichnungen


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Bezeichnung höherfester Stahlwerkstoffe.

H Kaltgewalzter höherfester StahlD Warmgewalzter höherfester Stahl

Untere Toleranzgrenze der Streckgrenze in N/mm²

B Bake Hardening StahlP PhosphorlegiertLA MikrolegiertI isotropY IF StahlX Dual Phasen StahlT TRIP StahlC Complex Phasen StahlM Martensit Phasen Stahl

H 300 X


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Stahlwerkstoffe.

Bruchdehnung A80 [%

]

200100 300 400 500 600 700 800 900 1000

10

20

30

40

50Weiche IF-Stähle

DC01 - 05

Bake-Hardening-Stähle

Phosphorlegierte Stähle

Mikrolegierte Stähle

Dual-Phasen-Stähle

TRIP-Stähle

CP-Stähle

MS-Stähle

Streckgrenze [N/mm²]


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Entwicklung des Anteils höherfester Stähle.

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Gew

ichts% HSS

BMW 3er

BMW 5er

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

BMW 7er






Zusammenfassung


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Blechbeschichtungen.

metallisch organisch

Elektrolytischverzinkt (ZE, ZN)

Schmelztauchen(Z)

Wärmebehandlung( Z � ZF )

Phosphatierung(ZEph, Zph, ...)

Coilcoating • Bonazink• Grannocoat• dry film lubricants• ...

Duplex

• ZE + Bonazink• ZE + Grannocoat• ...



ElektrolytischeVerzinkung

Schmelztauch-Verzinkung

Mit Wärme-behandlung

ZF (GA)galvannealed

Ohne Wärme-behandlung

Z (GI)Feuerzink

ElektrolytZink

ZE (EZ)Elozink

ElektrolytZink+Nickel

Zn/NiZink-Nickel



Band-speicher

Auf-coilen

Be-ölung

Ab-coilen

Band-Schweiß-anlage

Band-speicher

Elektrolyse-zellen

Vor-behand-lung

Nach-behand-lung

Elektrolytische Beschichtung

Schmelztauchbeschichtung

Wärme-Behand-lungsofen

Zinkbad Dressieren(Wärme-

behandlung)






Zusammenfassung


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Schmierstoffeinsatz.

Innenblechteil einfach:Grundbeölung Korro-

sionsschutzöl 1-3 g/m²

Anf

orde

rung

en a

n da

s S

chm

iers

yste

m /

Kom

plex

ität d

er U

mfo

rmun

g

Außenhautteile:Grundbeölung Korro-

sionsschutzöl 1-2 g/m²

Waschen und Rück-beölung 1-2 g/m²

Abp

ress

en

Roh

bau

Innenblechteil kritisch: Grundbeölung Korro-

sionsschutzöl 1-3 g/m²(partielle) Zusatzbe-ölung im Preßwerk

alkalischeEntfettungInnenblechteil weniger

kritisch: GrundbeölungPrelube 1-3 g/m²






Zusammenfassung


Tribologische Systeme derKarosserieumformung.Werkzeugbeschichtungen.

GrundwerkstoffePrototypen- undVorserienwerkzeuge

• Kunststoff, Gießharze• Zamak• Cerrotru, ...

Serienwerkzeuge• GG 25• GG 25 CrMoV• GGG 60, GGG 70, ...

Stark beanspruchteSerienwerkzeuge

• GS• 1.2379, ...• Ampco, ...

BeschichtungenDiffusionsschichten

• Nitrieren• Vanadieren• Borieren, ...

Auflageschichten• Verchromen• PVD

• TiN• TiC• TiCN• CrN• WCC, ...

• CVD• TiN• TiC• TiC/TiN, ...






Zusammenfassung


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Anforderungen an tribologische Systeme.

Blech-Herstellung

Reibung und Verschleiß beim Walzen

Vermeidung von „Klebern“bei der Wärmebehandlung

Korrosionsschutz

Blech-umfor-mung

Vermeidung von Blechdopplungen

Verschleiß an Werkzeug- und Blechoberfläche

konstante Reibung

Weiterver-arbeitung

Korrosionsschutz

Schweißbarkeit

Klebbarkeit

Lackierbarkeit

Abwaschbarkeit

GebrauchKorrosionsschutz

Alterungsbeständigkeit

Lackglanz

Lackhaftung

Kratzer und Steinschlag

Re-rara-tur

Geringer Reparatur-aufwand

Vermeidung giftiger Schleifstäube

Recycling

Beschichtung gut von Grund-werkstoff trennbar

An-forderun-gen

keine störenden Legierungs-elemente in Schmelze


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Anforderungen an Prüfverfahren.

Prozesssicherheit

Bauteilqualität

Verfahrensgrenzen

Umweltverträglichkeit

Kosten

FertigungsgerechteAuswahl von Werk-und Prozessstoffen

Optimierung vonWerk- undProzessstoffen

Entwicklung neuerWerk- undProzessstoffe

Eindeutige Spezifi-kation von Werk- undProzessstoffen

Ermittlung vonMaterialdaten für dieFE-Simulation

Bauteil-Versuche

Modell-Versuche

Mess-methoden


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Kategorien der Reibungs- undVerschleißprüfung.

Prüfprinzip

Kategorie V Kategorie VIKategorie I-III Kategorie IV

Betriebsversuch ModellversuchÜbertragbarkeit auf Realprozess

Messtechnische Zugänglichkeit






Zusammenfassung


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Arbeitsdiagramm.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1,8 1,85 1,9 1,95 2

relatives Ziehverhältnis b

mittlere Fläch

enpress

ung

unter dem

Blech

halter [N/m

m²]

Faltengrenze

Reissergrenze


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Arbeitsdiagramm bei Variation desSchmierstoffs.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1,8 1,85 1,9 1,95 2

relatives Ziehverhältnis bmittlere Fläch

enpress

ung unter dem

Blech

halter [N/m

m²]

zunehmende Viskosität des Schmierstoffs

(16 bis 100 mm²/s)


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Arbeitsdiagramm bei Variation desBlechwerkstoffs.

0

50

100

150

200

250

300

1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2

Blech

halterkraft [kN

]

relatives Ziehverhältnis b

Falten St 14Reißer St 14Falten ZStE 220 BHReißer ZStE 220 BHFalten ZStE 300Reißer ZStE 300


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Einfluss der Ziehteilgröße auf die Reibung.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200

Stempeldurchmesser d St [mm]

Reibungskraft Umformkraft

Blechwerkstoff St 14Blechdicke 1 mm

Kraft [kN

]


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss der Ziehteilgröße auf das maximaleZiehverhältnis.

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

0 200 400 600 800 1000 1200

Blechwerkstoff St 14Blechdicke 1 mm

Grenzziehve

rhältnis

Stempeldurchmesser d St [mm]


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Schmierstoffe.

Werkzeuggeometrie

rotationssymmetrischer Napf

Stempeldurchmesser 150 mm

Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

BlechUmformwerkstoff St 14

Blechdicke 0,8 mm

Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm

Werkzeug

Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV

Oberfläche geschliffen u. poliert

Umformparameter

Ziehverhältnis 2,0

Flächenpressung 2,5 N/mm²

Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s

Reibungszahl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Ziehöl

Zieh-

emulsion

Mit Wasser

verdünnte

Emulsion

Korrosions-

schutzöl


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Werkzeugwerkstoffe bei unbeschichtetem Blechmit Emulsion.

Werkzeuggeometrie



Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

BlechUmformwerkstoff St 14

Blechdicke 0,8 mm


Werkzeug



Umformparameter

Ziehverhältnis 2,0


Ziehgeschwindigkeit 14 mm/sBeölung 3,5 g/m²

Cerrotru GG25

CrMoV

Zamak Kunststoff

Reibungszahl

Reißer

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkzeugwerkstoffe bei verzinktem Blech mitEmulsion.

Werkzeuggeometrie



Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

Blech

Umformwerkstoff St 14

Blechbeschichtung ZE 75/75Blechdicke 0,8 mm


Werkzeug



Umformparameter

Ziehverhältnis 2,0



Cerrotru GG25

CrMoV

Zamak Kunststoff

Reibungszahl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Werkzeugwerkstoffe bei unverzinktem Blech mitÖl.

Werkzeuggeometrie



Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

Blech


Blechbeschichtung keineBlechdicke 0,8 mm


Werkzeug



Umformparameter

Ziehverhältnis 2,0



Cerrotru GG25

CrMoV

Zamak Kunststoff

Reibungszahl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Werkzeugwerkstoffe bei verzinktem Blech mit Öl.

Werkzeuggeometrie



Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

Blech


Blechbeschichtung ZE 75/75Blechdicke 0,8 mm


Werkzeug



Umformparameter

Ziehverhältnis 2,0



Cerrotru GG25

CrMoV

Zamak Kunststoff

Reibungszahl

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Verschleißfestere Werkstoffe.

TiC/TiN

Ampco 26

1.2379

GGG 60

GG 25CrMoV

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Reibungszahl Werkzeuggeometrie



Matrizenradius 8 mm

Stempelradius 10 mm

Blech

Umformwerkstoff ZStE 300 BH

Blechbeschichtung keineBlechdicke 0,8 mm


Werkzeug


Umformparameter

Ziehverhältnis 1,9


Ziehgeschwindigkeit 14 mm/sSchmierstoff EmulsionBeölung 3,5 g/m²






Zusammenfassung


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Streifenziehversuch.

Flachbahn Umlenkung Ziehsicke

Coil Reinigungs- undBeölungsanlage

Werk-zeug

Getriebemotor


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Einfluss des Schmierstoffs imStreifenziehversuch.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Kontaktnormalspannung [N/mm²]

Reibungszah

l

Schmierstoff 1Schmierstoff 2Schmierstoff 3Schmierstoff 4

Schmierstoffmenge: 2 g/m²Reinigung: Öl, HochdruckBlech: St 14 elo verzinktWerkzeug: GGG 60


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Einfluss der Schmierstoffmenge imStreifenziehversuch.

0,05

0,1

0,15

0,2

0 10 20 30 40 50 60

Kontaktnormalspannung [N/mm²]

Reibungszah

l0,7 g/m²

1 g/m²

1,5 g/m²

2 g/m²

3 g/m²


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Einfluss der Blechtopografie imStreifenziehversuch.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 10 20 30 40 50Kontaktnormalspannung [N/mm²]

Reibungszah

lBlech 1, 200 mm/sBlech 1, 100 mm/sBlech 1, 50 mm/sBlech 2, 200 mm/sBlech 2, 100 mm/2Blech 2, 50 mm/s


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Vergleich der Einflussgrößen auf die Reibung imStreifenziehversuch.

größte Differenz der maximalen

Kontaktnormalspannungen

[N/mm²]

Werkzeugtopografie

Schmierstoffm

enge

0

2

4

6

8

10

12

14

Blechtopografie

Werkzeug /

Beschichtung

Schmierstoffart

Verzinkt /

unbeschichtet

Reinigung des

Bleches






Zusammenfassung


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Werkstoffprüfungen.

Blechwerkstoff• Zugversuche, Fließkurven• Grenzformänderungsdiagramme• Kreuzzugversuche, Fließortkurven• Rauheit• Beschichtungsdicke• Beschichtungshärte• Chemische Analyse

Werkzeug• Härte• Rauheit• Chemische Analyse

Schmierstoff• Schmierstoffmenge• Viskosität• Chemische Analyse


Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit.Zusammenfassung.

Neue Anforderungen an tribologische Systeme in derKarosserieumformung

• Neue und höherfeste Werkstoffe• Prozesssicherheit, Verringerung Ausschuss (Ökonomie)• Umweltverträglichere Schmiersysteme (Ökologie)

Gestiegene Anforderungen an Prüfmethoden• Entwicklung und Optimierung neuer Systeme• Eindeutige Spezifikation• Anforderungsgerechte Auswahl tribologischer Systeme

Paralleler Einsatz und Abgleich von:• Bauteilversuchen• Modellversuchen• Messmethoden






Zusammenfassung


Blechtopografie.Dressierverfahren.Shot Blast Texturing (SBT).

Walze

Schleuder-rad

Strahlgut

½ m v²


Blechtopografie.Dressierverfahren.Electrical Discharge Texturing (EDT).

Elektroden

Schmelze

Entladungskanal

Geschmolzenes Walzenmaterial

Elektrolyt

Walze


Blechtopografie.Dressierverfahren.Laser Texturing (LT).

Laserstrahl

ChopperradLaseroptik

Laserstrahl

Inertgas

Schmelze

Erstarrte Schmelze


Blechtopografie.Dressierverfahren.Electron Beam Texturing (EBT).

Vakuum-Kammer

Elektronenstrahl

Elektronenoptik

Elektronenstrahl

Schmelze

Erstarrte Schmelze


Blechtopografie.Dressierverfahren.Precision Texturing / Pretex.

Walze

Reaktor

Drehender Deckel

Chrom-Elektrolyt

Anoden

Anode

Kathode / Walze

Abgeschiedene Chrom-Halbkugeln

Chrom-Elektrolyt


Blechtopografie, Dressierverfahren.Gegenüberstellung der Dressierverfahren.

SBTshot blasttexturing

EDTelectrical dischargetexturing

LTlaser beamtexturing

EBTelectron beam

texturing

PretexPreussagtexturing

Kosten pro Walze

Herstellungszeit

Wiederholbarkeit

Regelmäßigkeittechnischer Aufwand

Spitzenzahl






Zusammenfassung


F

P

die

lubricantsheet

hydrostatisch wirkende

Schmiertaschen

F

P

U

hydrodynamischwirkendeFlanken

F

P

U

elasto-/plasto-hydrodynamischwirkende Stufen

F,h

P

.

Blechtopografie.Wirkmechanismen.

Quetsch-strömungen


Blechtopografie.Anforderungen an eine „Idealtopografie“.

• Hohe Spitzen• Schmale und kleine Spitzen• Einen flachen Kernbereich• Größeres Leervolumen im unteren Bereich• Hohe Anteile abgeschlossener Leerflächen• Topografie hoch abgeschlossen• Feine Spitzen• Hohe Anzahl von Tälern• Ungerichtete Strukturen






Zusammenfassung


Rauheitskenngrößen.Begriffe.

offen

geschlossen

Leere (Materialanteil)

Abgeschlossenheit Dichte

leer

voll

weit

dicht


Rauheitskenngrößen.Mittenrauwert Ra.

∫=

L

o

adxxz

LR )(

1


Rauheitskenngrößen.Materialanteilkurve.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100

Tiefe [µm]

Materialanteil [%]

Rpk

Spitzen-höhe

Rk

Kern-rauh-tiefe

Rvk

Riefen-tiefe


Blechtopografie.Aussagekraft von Rauheitskenngrößen.

Abgeschlossenheit

7. Geschlossenes Leervol.

8. Anteil geschl. Leerflächen

9. Perkolationstiefe

2D 3D


1. Spitzenhöhe

2. Materialanteil

3. Kernrautiefe

4. Leervolumen

Rpk

Mr1

Rk

Rpm

Dichte

5. Spitzenzahl

6. Talzahl


Rauheitskenngrößen.Berechnung von 2D-Spitzenzahlen.

2D-Spitzenzahl, PC = 2

Tribologisch relevante Spitzenzahl ≈ 11 ?

3D-Spitzenzahl, Sds = 48

0,5 mm

0,5 mm



Abgeschlossenheit




2D 3D


1. Spitzenhöhe

2. Materialanteil

3. Kernrautiefe

4. Leervolumen

Rpk

Mr1

Rk

Rpm

Dichte

5. Spitzenzahl

6. Talzahl

(PC)

(Sdv)


Rauheitskenngrößen.Berechnung von 3D-Rauheitskenngrößen.































Geschlossenes Leervolumen Vcl

Maximaler geschlossenerLeerflächenanteil aclm

Maximale Spitzenzahl nmam

Anzahl Schmiertaschen nvcl

...



Abgeschlossenheit




2D 3D


1. Spitzenhöhe

2. Materialanteil

3. Kernrautiefe

4. Leervolumen

Rpk

Mr1

Rk

Rpm

Spk

Sr1

Sk

Vvo

Dichte

5. Spitzenzahl

6. Talzahl

(PC)

(Sdv)Nmam

Nvom

Vcl

Aclm

p


Blechtopografie.Klassifizierung von Rauheitskenngrößen.

3D-Messungen

Ra, Rt, Ry PC, ...

Rk, Rpk, Rvk, ...

2D-Messungen oderberechnete Schnitte

2D-Kenngrößen

-2D-Abbott

- ...

direktberechnet:- Tiefe- Volumen- mittlere Rautiefe- Spitzen- ...

über be-rechneteKurven

21

St, Sa,Sku,Svr, ...

Sk, Spk, Svk, ...

3D-Kenngrößen, gleiche Methoden wie bei 2D

direktberechnet:- Tiefe- Volumen- mittlere Rautiefe- Spitzen- ...

über be-rechneteKurven

-3D-Abbott

- ...

3 4

Nmam, ...

Αclm, Vcl,

- geschlos- sene Vo- lumina u. Flächen

- ...

PC, Sds

...

-3D-Tal u. Spitzen- zahlen- Isotropie- Perkola- tionstiefe- ...

- Fourier- analyse- Spectral- analyse- Auto-korrelation- ...

Str, Sal,…

“echte” 3D-Kenngrößen

direkt berechnet:

über be-rechnete Kurven:

über be-rechneteFlächen:

5 6 7






Zusammenfassung


Blechtopografie.Vergleich von Ergebnissen ausRauheitsmessung und Streifenziehversuch.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0,01 0,02 0,03 0,04

2D- SpitzenzahlPC

R²=0,28

Standardabweichung der Reibungszahlüber die Ziehgeschwindigkeit


Blechtopografie.Vergleich von Ergebnissen ausRauheitsmessung und Streifenziehversuch.

0

500

1000

1500

2000

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Standardabweichung der Reibungszahlüber der Ziehgeschwindigkeit

3D- SpitzenzahlNma(k)

R²=0,77


Blechtopografie.Vergleich von Ergebnissen ausRauheitsmessung und Serienfertigung.


Blechtopografie.Zusammenfassung.

Zur Beschreibung der Oberfläche sind eindeutigeBegriffe erforderlich.

Das Verständnis der Wirkungsweise / Funktion derOberfläche ist für die Auswahl geeigneter Kenngrößenunumgänglich.

Nur „echte“ 3D-Kenngrößen bringen Vorteilegegenüber 2D-Oberflächenkenngrößen.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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