Werkzeuge Simulation des Verschleißes in der Blechumformung

Die Betrachtung von Werkzeugverschleiß in der Umformtechnik gewinnt durch den vermehrten Einsatz von höchstfesten Blechwerkstoffen zur Gewichtseinsparung und Verbesserung der Struktursteifigkeit nicht nur im Automobilbau immer mehr an Bedeutung. Die Folge dieser Entwicklung ist eine Zunahme des abrasiven Verschleißes, der letztendlich über die Lebensdauer des Umformwerkzeugs die Teiletoleranzen gefährdet.

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Durch das Auftreten von nicht tolerierbarem Verschleiß entstehen auch zusätzliche, nicht planbare Instandhaltungskosten. Deshalb ist es besonders wichtig, die Standmenge eines Werkzeugs bereits vor der Festlegung des Werkzeugwerkstoffes und der Fertigung des Werkzeuges abschätzen zu können.

Basis zu einer qualitativen und quantitativen Aussage über den Verschleißfortschritt an Umformwerkzeugen ist die numerische Simulation. Verschleiß wird in der Umformtechnik durch kontaktmechanische Modelle beschrieben. Diesen Sachverhalt beschreibt das Verschleißmodell nach Archard am Besten. Dabei wird das Verschleißvolumen W in Abhängigkeit eines Verschleißkoeffizienten K, der Normalkraft Fn, der Härte H des Verschleißkörpers und des Reibweg s beschrieben.

Der Verschleißkoeffizient K fasst eine Vielzahl von Einflussgrößen wie beispielsweise Gitterstruktur und Bruchzähigkeit zusammen, die durch Randbedingungen in der numerischen Simulation des Werkzeugverschleißes nicht erfasst werden können.

Simulation des Verschleißprozesses

Das am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der technischen Universität München entwickelte Verschleißsimulationsprogramm Redsy ermöglicht es, den Werkzeugverschleiß in der Blechumformung qualitativ und quantitativ zu berechnen. Die Autoren konnten bereits nachweisen, dass durch die Verknüpfung einer Umformsimulation mit der Verschleißsimulation, basierend auf dem Modell nach Archard, die verschleißintensiven Stellen am Werkzeug mit einer guten qualitativen Übereinstimmung mit der Realität abgebildet werden können. Um mit diesem Algorithmus eine optimale Berechnungsqualität zu erzielen, ist eine exakte Bestimmung des Verschleißkoeffizienten der eingesetzten Paarung Blechwerkstoff-Werkzeugwerkstoff nötig.

Die Grundlage für eine quantitativ richtige Verschleißsimulation bilden Verschleißmessungen für die relevanten Werkzeugwerkstoff-Blechwerkstoff-Paarungen. Die Versuche finden unter Berücksichtigung des gesamten tribologischen Systems der Werkstoffpaarungen statt. Es werden Randbedingungen wie Beölungszustand und Geschwindigkeitsprofile konstant gehalten.

Verschleiß bisher in Streifziehversuchen erforscht

Bisher wurden Verschleißuntersuchungen überwiegend im Streifenziehversuch mit Variationen in der Umlenkung oder im Kehlziehversuch durchgeführt. Die entscheidende Einschränkung der genannten Prüfverfahren ist jedoch, dass weder die Deformation des Blechwerkstoffs, noch die wirkenden Kräfte am realen Umformwerkzeug gleichmäßig sind. Gründe dafür sind u.a. Faltenbildung, Blechaufdickung, Ziehkraft und Flächenpressung durch Niederhalterkraft.

Durch die Kombination von Simulation und Umformexperiment erreicht man eine verbesserte Genauigkeit. Das vorgestellte Verfahren zur Verschleißprüfung ermöglicht es, die Verschleißkenngrößen direkt im realen Tiefziehprozess zu messen und so die Berechnungsqualität der Verschleißsimulationssoftware entscheidend zu verbessern.

Neue Versuchsreihe vergleicht Verschleiß mit numerischer Abbildung

Für die Verschleißuntersuchungen wird eine rotationssymmetrische Napfgeometrie eingesetzt, die auf einem 8-stufigen Folgeverbundwerkzeug hergestellt wird. Aus einem Abgleich der Messergebnisse mit der numerischen Abbildung des Tiefziehprozesses können die Verschleißkoeffizienten für verschiedene Werkstoffpaarungen ermittelt werden.

Das Werkzeug wird in einem Hochleistungs-Stanzautomaten (Typ BSTA 125 BL, Bruderer) bei 60 Hub/min bei einer Hubhöhe des Stößels von 75 mm betrieben. Der Einsatz eines Stanzautomaten ist sinnvoll, da die aufzubringende Presskraft und das Arbeitsvermögen für die Trenn- und Umformoperationen ausreichend sind. Unter Berücksichtigung der Pressenkinematik resultiert eine Stößelgeschwindigkeit von 0,2 m/s.

Das Blech wird vom Coil in einer Breite von 100 mm verarbeitet. Der automatische Bandvorschub von 93,2 mm pro Hub erfolgt bei einem Kurbelwinkel im Bereich von 45° vor und nach dem oberen Totpunkt. Bei der Versuchsdurchführung kommen vier Module des Folgeverbundwerkzeugs zum Einsatz (Bild 1).

Modell verdeutlicht den Verschleiß

In den Modulen 1-3 erfolgt der Platinenzuschnitt im Blechstreifen. Im Modul 4 wird die eigentliche Tiefziehoperation durchgeführt. An den Aktivelementen in diesem Modul erfolgt die Versuchsauswertung der Verschleißuntersuchungen. In den Modulen 5-7 erfolgen keine Operationen. Auf Grund der Werkzeugkonstruktion sind sie jedoch für die Realisierung der Blechführung notwendig. In Modul 8 wird der Blechstreifen schließlich vereinzelt. Die benötigte Niederhalterkraft wird in den Modulen 1-4 über Gasdruckfedern aufgebracht. Konstruktionsbedingt befindet sich zwischen den einzelnen Modulen eine Wartestation.

Die Verschleißmessung erfolgt an der Matrize des Moduls 4, weil an dieser Stelle aufgrund der Flächenpressung durch den Umformvorgang sowie durch das Gleitwegaufkommen das größte Verschleißvolumen zu erwarten ist. Die anderen Aktivelemente sind in Kaltarbeitsstahl vom Typ X155CrVMo12.1 (1.2379) ausgeführt und werden innerhalb der Versuchsreihen nicht gewechselt. Um eine möglichst detaillierte Aussage über das Verschleißverhalten der untersuchten Werkstoffe zu bekommen, werden die Verschleißmessungen nicht nur am Ende der Versuchsreihe, sondern in werkstoffabhängig gewählten Messintervallen durchgeführt.

Messungen mit zwei Geräten

Die Verschleißmessungen werden aufgrund der äußerst hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit mit zwei verschiedenen Messgeräten durchgeführt. Zusätzlich zu dem optischen Oberflächendigitalisierer Gom Atos II 400 der Gom mbH aus Braunschweig, mit einem Messrauschen zirka 8 mm) wird mit einem taktilen Profilschnitt-Messsystem (Typ Mahr Surf XCR20, Mahr GmbH, Göttingen) gearbeitet. Bei diesem taktilen Messverfahren liegt die erreichbare Messgenauigkeit im Mikrometerbereich (Messrauschen 0,5 mm), so dass auch bei geringen Verschleißvolumina verlässliche Aussagen möglich sind.

Der Matrizeneinlaufradius wird mit Hilfe der Konturmessung an vier Stellen erfasst, die eindeutig und wiederholgenau angefahren werden können. Dazu wird die Matrize in eine um 45° gegen die Waagrechte geneigte Vorrichtung gelegt. Die Messstellen sind von der Blechlaufrichtung aus gesehen 0, 90, 180 und 270° in der Matrizenbohrung verteilt.

Die Werkzeugwerkstoffe GGG70L (0.7070L, 40 HRC), GS60 (1.0558, 50 HRC) und X155CrVMo12.1 (1.2379, 63 HRC) wurden jeweils in vergütetem oder vakuumgehärtetem Zustand untersucht. Die Werkzeuge sind unbeschichtet und weisen eine polierte Oberfläche auf. Als Beölung wird Multidraw KTL-N1 (Zeller+Gmelin GmbH & Co. KG, Eislingen/Fils) eingesetzt und mittels einer Sprühnebelkammer beidseitig aufgebracht (etwa 2 g/m²).

Als Blechwerkstoffe kamen DC05 (DC05+ZE75/75-BO, Blechdicke 0,8 mm, elektrolytisch verzinkt, 6 t), HC380LAD (HC380LAD+Z100BMO, Blechdicke 1,0 mm, feuerverzinkt, 13 t), sowie HC400TD (HC400TD+Z100BMO, Blechdicke 1,0 mm, feuerverzinkt, 18 t) zum Einsatz. Bei den Blechen handelte es sich um gängige Blechwerkstoffe des Automobilbaus, die das Spektrum von einer weichen Ziehgüte bis zum hochfesten Trip-Stahl abdecken.

Durch eine Optimierung der Beölungsmenge und Einführung von Luftkühlung der Werkzeuge konnte die Tribologie zwischen den Werkstoffen so beeinflusst werden, dass Adhäsion des Zinkabriebs an den Werkzeugen während der Versuchsreihen nicht auftrat.

Ergebnisse für verschiedene Werkstoffpaarungen

Zur Beschreibung der Blechwerkstoffe wurden sowohl Gefügeschliffbilder, als auch REM-Aufnahmen der Oberflächen angefertigt. Die für die tribologischen Eigenschaften dominanten Blechoberflächen weisen signifikante Unterschiede auf, die auf das Nachwalzverfahren zurückzuführen sind. So lässt die Oberfläche des HC400TD-Blechs mit sehr strukturierten taschenförmigen Vertiefungen darauf schließen, dass sich durch den hydrostatisch dichten Einschluss des Schmierstoffs in die Vertiefungen gute tribologische Bedingungen einstellen. Dies ist für die Oberflächen der anderen Bleche nicht der Fall, weil diese mit offenen Schmiertaschen und großflächigen Plateaus versehen sind, sodass die Bildung eines tragenden Schmierfilms behindert wird.

Der Verschleißfortschritt wurde für alle Werkstoffpaarungen dokumentiert. Dabei wurden die Messintervalle werkstoffabhängig festgelegt, sodass bei einem geringen zu erwartendem Verschleißvolumen die Abstände zwischen den Messungen größer gewählt wurden. Die Blechwerkstoffe weisen sehr unterschiedliche Festigkeitswerte auf, die eine unterschiedlich starke Belastung des Werkzeugs beim Tiefziehen induzieren.

Der Mechanismus des Adhäsiven Verschleißes bestimmt den Prozess, sobald die Härte der Werkzeugwerkstoffe die der Blechwerkstoffe übersteigt. Dies ist bei einer Härte der Werkzeuge von >40HRC bei allen Versuchen gegeben. Es wurden also harte Werkzeuge mit im Vergleich dazu weichen Blechen verschlissen. Der Blechwerkstoff HC400TD weist günstige tribologische Eigenschaften auf, weil aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit tragende Schmierstoffpolster gebildet werden können. Trotz der wesentlich höheren mechanischen Belastung des Werkzeuges im Umformprozess ist der Verschleißfortschritt bei den Werkstoffpaarungen mit diesem Blechwerkstoff jedoch gering.

Unter Beachtung dieser Randbedingungen kann festgestellt werden, dass nicht nur die Festigkeit der Blechwerkstoffe, sondern insbesondere auch die tribologischen Verhältnisse den Werkzeugverschleiß maßgeblich beeinflussen. Bei Blechwerkstoffen höherer Festigkeit bei verbesserten tribologischen Eigenschaften ist weniger Verschleiß messbar als bei weichen Blechwerkstoffen mit schlechten tribologischen Eigenschaften.

Tribologische Verhältnisse beeinflussen Verschleiß

Dies lässt den Schluss zu, dass die Tribologie der Oberfläche des Blechwerkstoffs in weit größerem Maße als angenommen die Verschleißeigenschaften im Tiefziehprozess bestimmt. In diese komplexe tribologische Wechselwirkung fallen alle Einflüsse wie Schmierstoff, Schmiermittelmenge, Temperatur, Oberflächenrauhigkeit und -textur.

Aus den Verschleißmessungen lassen sich die Verschleißkoeffizienten folgendermaßen berechnen: Aus den Messungen ergeben sich die Verschleißtiefen w [mm] zur jeweiligen Hubanzahl. Mit Hilfe der FE-Simulation und des Programms Redsy Calibration lässt sich das Integral aus Kontaktdruck und Gleitgeschwindigkeit sowie die Verschleißarbeit bestimmen. Die Härte der Werkzeugwerkstoffe ist aus den Versuchen ebenfalls bekannt.

Beispielhaft wird für die Werkstoffpaarung DC05 – GS60 eine Verschleißsimulation durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Verfahrens zu zeigen. Für diese Werkstoffpaarung wurde in den Versuchen zur Verschleißmessung ein Verschleißkoeffizient K = 2.035E-7 ermittelt. Das Verschleißsimulationsprogramm Redsy berechnet mit diesem Koeffizienten das in Bild 3b dargestellte Verschleißbild.

Ein Vergleich mit der taktilen Messung des Profils am Matrizeneinlaufradius (Bild 3a) zeigt, dass das Simulationsergebnis qualitativ und quantitativ sehr gut mit der Messung übereinstimmt. Beide Verschleißmaxima konnten in Lage und Tiefe korrekt abgebildet werden.

Das vorgestellte Verfahren zur simulationsgestützten Verschleißberechnung stützt sich auf eine neue Methode zur experimentellen Messung von Verschleißkoeffizienten. Für die untersuchten Werkstoffpaarungen werden die Verschleißverläufe, sowie die ermittelten Verschleißkoeffizienten gezeigt. Das Verschleißverhalten der geprüften Blechwerkstoffe wird charakterisiert. Demnach beeinflussen neben der Festigkeit der Blechwerkstoffe auch die tribologischen Verhältnisse den Werkzeugverschleiß maßgeblich. So konnte bei Blechwerkstoffen höherer Festigkeit bei verbesserten tribologischen Eigenschaften weniger Verschleiß gemessen werden, als bei weichen Blechwerkstoffen mit schlechten tribologischen Eigenschaften.

Dies lässt den Schluss zu, dass die Tribologie der Oberfläche des Blechwerkstoffs in weit größerem Maße als angenommen die Verschleißeigenschaften im Tiefziehprozess bestimmt.

Verschleißmodell um Tribologie erweitern

Die ersten Ergebnisse der auf die Messungen aufbauenden Verschleißsimulation Redsy zeigen sehr gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Dies ist jedoch nur möglich, da die tribologischen Eigenschaften der Blechwerkstoffe experimentell ermittelt und in den Verschleißkoeffizienten integriert werden. Eine genaue Aussage über das quantitative Verschleißverhalten einer Werkstoffpaarung mit allgemeiner Gültigkeit ist nur dann möglich, wenn das Verschleißmodell um eine Beschreibung der tribologischen Eigenschaften erweitert wird.

Wesentliche Ergebnisse der hier vorgestellten Arbeit wurden im Rahmen des Forschungsprojektes „Simulationsgestützte Verschleißberechnung durch Ermittlung von Verschleißkoeffizienten bei der Blechumformung“ (AiF 14291N) erzielt. Dieses Forschungsprojekt wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. MM

Dipl.-Ing. Gerald Nürnberg ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der TU München, Tel. (089) 289-1 45 54, Fax (089) 289-1 45 47

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