Werkstoffwoche Surface Engineeringwerkstoffwoche.de/fileadmin/user_upload/Groche_-_DGM_Keynote... · Einleitung und Motivation: Verschleiß in der Umformtechnik Strategien zur Verschleißreduktion

29. Oktober 2015 | Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen | Prof. Peter Groche | 1

Werkstoffwoche – Surface Engineering

„Verschleißverhalten maßgeschneiderter Oberflächen in der

Umformtechnik“

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche,

M.Sc. Manuel Steitz,

M.Sc. Matthias Christiany

Institut für Produktionstechnik und

Umformmaschinen,

Technische Universität Darmstadt

Einleitung und Motivation: Verschleiß in der Umformtechnik

Strategien zur Verschleißreduktion

Beispiel Surface Engineering

Methodik zur lastabhängigen Verschleißprognose

Zusammenfassung und Ausblick

Inhalt


Verschlissene mikrostrukturierte Versuchsprobe

Definition und Bedeutung Verschleiß

Verschleißmechanismen:

Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktion

Jährlicher Verlust der Industrienationen durch Korrosion/ Verschleiß:

5% des BSP [Jost-Report]

Jährliche Kosten durch Reibung und Verschleiß in Deutschland:

35 Mrd. € [Gesellschaft für Tribologie]

Einleitung und Motivation


„Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers,

hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines

festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers.“ [GFT02]

Typische Belastungen in der Umformtechnik


source: Bay, Azushima, Groche et al. 2010

Oberf

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Ko

nta

ktn

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pa

nnu

ng


[DIN 8584-3]

Matrize

Blech

Niederhalter

Stempel

Aufbau Tiefziehwerkzeug

Zunehmende Verwendung AHSS in der Blechumformtechnik

Verstärkter Einsatz höchstfester Bleche in der Automobilindustrie:

Konstruktiver Leichtbau

Umweltschutzaspekte

Steigende Sicherheitsanforderungen



Karosseriestruktur MQB-Plattform von Volkswagen [Sun12]

[Sun12] Sundermeier, R.: Einsatz höchstfester Stähle in der Automobilindustrie; Vortrag, DVS-Seminar, Braunschweig, 13.06.2012

Herausforderungen durch die zunehmende Verwendung von AHSS in der

Blechumformtechnik



Maßnahmen zur Verschleißreduktion erforderlich

Höhere Kräfte zur Umformung höchstfester

Blechwerkstoffe erforderlich

Ansteigende tribologische Belastung der

Umformwerkzeuge

Verstärkten Verschleiß an den

Umformwerkzeugen und abnehmende

Prozesssicherheit

Unsicherheiten bei der Prozessauslegung

Abrasiver

Verschleiß

Adhäsiver

Verschleiß


Verlässliche Informationen zur Lebensdauer von Werkzeugen erforderlich

Strategien zur Verschleißreduktion in der Blechumformtechnik

Werkzeug-

werkstoff

Hartstoff-

beschichtung Schmierung

Neue Werkstoffe

Pulvermetallurgische

Stähle

Neue Beschichtungen

Mehrschichtsysteme

Alternative

Schmierstoffe

Mehraufwand und höhere Kosten

Informationen zur Lebensdauer stehen nicht zur Verfügung

Zusätzlicher markseitiger Einfluss: zunehmende Variantenvielfalt und abnehmende Losgrößen

Umweltschutz

Rechtliche Beschränkungen

Tribologische

Beanspruchung

Kräfte senken

Geometrische

Anpassungen


Aktuelle Strategien zur Verschleißreduktion - Zusammenfassung

Strategien zu Verschleißreduktion meist erfahrungsbasiert

Maßnahmen zumeist nicht optimal

Vorhersage des Werkzeugverschleißes kaum möglich

Auslegung tribolgischer Systeme mittels „trial and error“



Herstellung maßgeschneiderter Werkzeugoberflächen

Systematische experimentelle Verschleißuntersuchungen zur

Charakterisierung tribologischer Systeme

Streifenziehversuch PtU

Möglichkeiten Verschleißdetektion


Analyse der Verschleißentwicklung

anhand eines Streifenziehversuchs

mit Ziehsickengeometrie

Hohe Verschleißraten aufgrund hoher

Belastungen und geringer

Kontaktflächen

Modellversuch für tribologische Untersuchungen in der Blechumformung

Werkzeuggeometrien im Streifenziehversuch [GRO09]

[GRO09] Groche, P.; Engels, M.; Müller, C.; Bauer, K.:

Optimierung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Werkzeugoberflächen durch Randschichtverfestigung. EFB-Forschungsbericht Nr. 296. Hannover. 2009

Streifenziehversuch mit Ziehsicken-Anordnung

Abbildung charakteristischer

Werkzeugbereiche

„offenes System“

Wiedergabe charakteristischer

tribologischer Lasten im Modellversuch

0

10

20

0 200 400 600 800 1000 1200

Rau

hei

t

Wer

kzeu

g [µ

m]

Hübe [ ]

0 Hub 10 Hub 100 Hub

1000 Hub 1107 Hub

Aufrauhung

0 µm

10

20



Konventionelle Auswertung am

Werkzeug

Ausbau und Vermessung der

Werkzeuge zu diskreten

Zeitpunkten

Versagenszeitpunkt nicht

bestimmbar

Unzureichende Abbildung

des Verschleißverhaltens

Inline-Detektion

wünschenswert

Monitoring System PtU



Gute Übereinstimmung zwischen taktiler und optischer Messung

Idee: Blechrauheit als Indikator für die Bauteilqualität

Rückschluss auf Werkzeugzustand über Erfassung der Blechrauheit

Kontinuierliche Erfassung der Blechrauheit im Streifenziehversuch

-- Taktile Messung: Hommel 0.5 mm/s, 0.5 µm

-- Optische Messung: Volcanyon 5 mm/s, 5 µm

Pro

filh

öh

e [

µm

]

Messstrecke [mm]

5

10

-5

0

Profil 𝑹𝒂 [µm] 𝑹𝒛 [µm]

Taktil 1,85 10,4

Optisch 1,67 9,27

Linearachse

Sensor

(chromatisch konfokal)

Blechstreifen

Automatisierte Messdatenerfassung im Versuchsbetrieb

Verbesserte Abbildung der Schädigungsentwicklung möglich

Aufrauhung der Kontaktzone während der ersten Hübe

Werkzeugversagen aufgrund massiver Anhaftungen am Werkzeug

Aber: Unzureichende Abbildung

Inline Detektion von Werkzeugverschleiß möglich

0

10

20

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Zugk

raft

[kN

]

Hübe [ ]

0

50

100

0 200 400 600 800 1000 1200Tem

per

atu

r [°

C]

Hübe [ ]

0

10

20

0 200 400 600 800 1000 1200Rz

(Ble

ch)

[µm

]

Hübe [ ] 0

10

20

0 200 400 600 800 1000 1200

Rau

hei

t

Wer

kzeu

g [µ

m]

Hübe [ ]

0 Hub 10 Hub 100 Hub

1000 Hub 1107 Hub

Aufrauhung

0 µm

10

20

Werkzeug: CP4M Blech: DP980Y700

Schmierstoff: PL61 (1,8 g/m²) Blechstärke: 1,14 mm

Ziehgeschwindigkeit:100 mm/s Eindringtiefe: 3 mm

Mittleres Lastniveau (20,25 kN Zugkraft)

Rückschluss auf Werkzeug über Messung am Blech

mittels Monitoring System Konventionelle Auswertung am Werkzeug



Gezielte Maßnahmen zur Verschleißreduktion erforderlich

Signifikanter Anstieg der Messdaten am Ende der

Versuchsreihe

Charakteristischer Verschleißverlauf nachvollziehbar

Maßgeschneiderte Werkzeugoberflächen am Beispiel Tiefziehen

Zielsetzung

Reibungs- und verschleißreduzierte Werkzeugoberfläche

Anforderung

Vermeidung zusätzlicher Fertigungsschritt oder Fertigungszeitverlängerungen

Ansatz

Mikrostrukturierung der Werkzeugoberfläche zur Ausnutzung tribologischer Vorteile

Surface Engineering


Kombination von maschineller Oberflächenbehandlung mit

Werkzeugstrukturierung

Vorstellung „Maschinelles Oberflächenhämmern“ - Technologie

Funktionsweise

Kinetische Energie des Hammerkopfes plastischer Umformung Werkstück

Technologie

Elektro-magnetischer Antrieb

Pneumatischer Antrieb

Piezo-elektrischer Antrieb

Manipulation mittels

Bearbeitungszentrum & Roboter

→ Freiformflächenbearbeitung

Surface Engineering


Hämmer-frequenz

Bahnorientierungswinkel

Zeilen-

abstand

Vorschub

Auftreff-winkel

Durchmesser Hammerkopf

Hub

Hub-Energie

Vorstellung „Maschinelles Oberflächenhämmern“ - Effekte

Härtesteigerung

Druckeigenspannungen

Einglättung der Oberfläche

Verkürzung Zeitbedarfs in Prozesskette

Surface Engineering


Gehämmert

Gefräste

Oberfläche

100

150

200

250

300

350

400

0 200 400 600 800 1000

Kn

oo

p-H

ärt

e [H

K0

,05

]

Tiefe [µm]

Geklopft

Ausgangshärte

Gehämmert

[Ford Forschungszentrum Aachen]

[µm]

15

7,5

0,0

-7,5

-15

Funktionalisierung der Werkzeugoberfläche durch Strukturierung mittels Hämmern

Mikrospitze auf Hammerkopf

Kegelstumpf, Trapezoid

Ergebnis Mikrostrukturierung

Einglättung und deterministische Oberflächenstrukturierung zur gleichen Zeit

Surface Engineering


Hammerkopf mit Mikrospitze (REM)

40 µm

3,50

[µm]

1,75

0,00

-1,75

-3,50 40 µm

Kegelstumpf-Struktur Trapezoide Struktur

Größe 46,6 µm

Tiefe 3,2 µm

Ra (zwischen

Struktur) 0,11 µm

10 µm

Wirkungsweise

als Schmierstoff-

tasche während

Tiefziehprozess

Werkstoff 1.2379

Geometrie Struktur

Reibungsreduktion im Streifenziehversuch durch Mikrostrukturierung

Reibwerte stark abhängig von

Bedeckung der Oberfläche

mit Schmierstofftaschen

(Optimum ~20%)

Signifikanter Einfluss des

Schmierstoffes auf Reibwert

Surface Engineering


0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

polished (hardened) trapezoid T_20

PL61 @ 4 MPa SU166A @ 4 MPa

PL61 @ 8 MPa SU166A @ 8 MPa

6 Messungen je Wert; Werkzeug: 1.2379 (T = 40°C), Blech: DP800

Schmierung: Z+G PL61, rhenus SU 166 A (je 1,2 – 1,5 g/m²)

Ziehgeschwindigkeit = 50 mm/s; Ziehweg = 100 mm

38,5 % 14,6 %

25,5 % 27,1 %

Poliert (gehärtet) Trapezoide Mikrotextur,

20% Bedeckung

Reib

koeffiz

ient

µ [

-]

Signifikante Reduzierung

der Reibung infolge der

Mikrostrukturierung

möglich

Langzeitbeständigkeit der

Strukturen unbekannt

Ermittlung der Verschleißeigenschaften im Streifenziehversuch

Mikrostrukturierter Werkzeugstahl in Kombination mit

Blech Al99,9

Blech DP800

Adhäsiver Verschleiß (Al99,9)

zwischen Struktur

Auffang Zinkabrieb in

Schmierstofftaschen

Keine Geometrieänderung

der Strukturgeometrie

Surface Engineering


[µm]

5,0

2,5

0,0

-2,5

-5,0

Zieh-

richtung

Optimierte Anordnung der Strukturen notwendig

Wirkungsweise & Verschleißbeständigkeit der Strukturen nachgewiesen

Werkzeug: 1.2379; Blech: Al99,9, DP800+Z

Schmierung: rhenus SU 166 A (15 g/m²; 1,2–1,5 g/m²)

Ziehgeschwindigkeit = 100 mm/s; Ziehweg = 100 mm

Anzahl Hübe: 400; Kontaktnormalspannung: steigernd

1.2379 vs. Al99,9 1.2379 vs. DP800+Z

850 µm

Effekt im realen Tiefziehversuch

Mikrostrukturierter ebener

Flanschbereich beim Napfziehen

Erweiterung des Gutteilfensters

beim Tiefziehen

Keine Nachteile hinsichtlich

Werkstückqualität durch

Mikrostruktur

Surface Engineering


Werkzeug: 1.2379; Blech: DX56(Z100)

Schmierung: Rhenus SU 166 A (1,2 – 1,5 g/m²)

Verschiebung der Prozessgrenzen durch gezieltes Surface Engineering

Übersicht der Versuchsmatrizen

Intermittierender Streifenziehversuch

(1000 Hübe)

Tribologisches System

Dokumentation Werkzeugoberfläche

Rauheitsmessung nach 0, 10, 100 und 1000 Hüben (optisch, taktil)

Experimentelle Verschleißversuche


Oberfläche 1 poliert

Oberfläche 2 Gehämmert (MHP)

Oberfläche 3 gehämmert (MHP)

+ Mikrostruktur

Werkzeugwerkstoff 1.2379 (ungehärtet)

3 Werkzeuge je Oberfläche

Blechwerkstoff DP800+Z

Schmierstoff Initialbeölung (Prelube) + Ziehöl Rhenus SU 166 A

Schmierstoffmenge 1,2-1,5 g/m²

Lastkollektiv

3 unterschiedliche Lastniveaus: - Maximallast (Kontaktnormalspannung: ca. 570 MPa)

- Mittlere Last (Kontaktnormalspannung: ca. 500 MPa)

- Niedrige Last (Kontaktnormalspannung: ca. 350 MPa)

= ∧

350 – 570 MPa

Höchste Belastung

im Modellwerkzeug

Vergleichende Verschleißversuche bei abgestuften Lastniveaus*



0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 100 1000

Ra

(w

erkz

eu

g) [

µm

]

Hübe [ ]

poliert

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 100 1000

Ra

(Wer

kzeu

g) [

µm

]

Hübe [ ]

MHP + Mikrostruktur

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 100 1000

Ra

(Wer

kzeu

g) [

µm

]

Hübe [ ]

MHP

Maximallast

Mittlere Last

Niedrige Last

Verschleißreduzierung durch Oberflächenhämmern und Mikrostrukturierung

Höhe des Lastniveaus beeinflusst Veränderung der Werkzeugrauheit

Abmessung:

Je 1,35mm x 2mm

*Tao Bo: Masterarbeit, PtU,

TU Darmstadt, 2015


0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000

Rz

(Ble

ch)

[µm

]

Hübe [ ]

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000

Rz

(Ble

ch)

[µm

]

Hübe [ ]

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000

Rz

(Ble

ch)

[µm

] Hübe [ ]

Verschleißentwicklung Mikrostruktur

µm

4

0

-4

µm

4

0

-4

0 Hub

1000 Hub

Maximallast

Mittlere Last

Niedrige Last

Niedrige Last

Niedrige Last

Entwicklung einer Methodik zur lastabhängigen

Verschleißprognose

Höhe des Lastniveaus beeinflusst die

Verschleißentwicklung der Tribosysteme


Ableitung Verschleißfestigkeitskennlinien zur Charakterisierung von Tribosystemen

Verschleißfestigkeitskennlinien


Be

lastu

ng

Hubzahl

Tribosystem A

Tribosystem B

Tribosystem C

Umformtechnik

Zusammenhang zwischen wirkender

Belastung und resultierender Standzeit

Ableitung von


Vergleich der Leistungsfähigkeit

verschiedener tribologischer Systeme

Betriebsfestigkeit:

Abschätzung der Lebensdauer

anhand von „Wöhlerlinien“

Wöhlerlinie [Hai06]

[Hai06] Haibach, E.:

Betriebsfestigkeit - Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung; Springer, 2006


0

200

400

600

800

1000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Ko

nta

ktn

orm

als

pan

nu

ng

[N

/mm

²]

Hübe [ ]

ZStE1000

Rm: 1000 N/mm²

DP980

Rm: 980 N/mm²

DP800

Rm: 780 N/mm²

Kontaktnormalspannung

als kennzeichnende

Belastungsgröße

Darstellung ermöglicht

qualitative Vergleiche

verschiedener

Tribosysteme

Einfluss einzelner Faktoren

kann anhand Diagramm

ausgewertet werden:

Einfluss der Festigkeit (DP980 – DP800)

Einfluss der metallurgischen Zusammensetzung (DP980 – ZStE1000)

Werkzeug: CP4M, Dörrenberg Edelstahl

Schmierung: PL 61(1,2–1,5 g/m²)

Ziehgeschwindigkeit = 100 mm/s

Ziehweg pro Hub = 100 mm


Inline Detektion von Werkzeugverschleiß möglich

Signifikante Reduzierung der Reibung infolge der Mikrostrukturierung möglich

Verschiebung der Prozessgrenzen durch gezieltes Surface Engineering

Methodik zur lastabhängigen Verschleißprognose

Zusammenfassung


Reduzierung von Reibung und Verschleiß durch Herstellung tribologisch

günstiger Oberflächenstrukturen möglich

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


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