Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkzeugseitige Beeinflussung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten

Kurze Produktzyklen in der Automobilindustrie führen dazu, dass kleine und mittelere Unternehmen (KMU) vor der Herausforderung stehen, Entwicklungszeiten für immer komplexere Bauteilgeometrien zu reduzieren. Zur Realisierung crashsicherer Bauteile findet vor allem das Presshärten industriell Anwendung. Aufgrund unzureichender Modellierung der tribologischen Bedingungen beim Presshärten führen FE-basierte Prozessauslegungen zu unpräzisen Ergebnissen. Daher erfolgt die Prozessauslegung häufig im kosten- und zeitintensiven Trial-and-Error Verfahren. Darüber hinaus verursacht Werkzeugverschleiß durch hohe thermo-mechanische Beanspruchungen sowie das Fehlen von Schmierstoff steigende Kosten sowie Maschinenstillstandzeiten für die KMU. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher sowohl die Verbesserung der Prozessauslegung mittels FEM durch eine erweiterte Modellierung der Reibungsverhältnisse als auch die Entwicklung werkzeugseitiger Maßnahmen zur Verschleißreduktion.

Zu Beginn des Projekts werden in Absprache mit den Industriepartnern Werkzeugwerkstoffe mit Blick auf die Kriterien Wärmeleitfähigkeit und erwartete Verschleißbeständigkeit ausgewählt. Anschließend werden die Oberflächen mithilfe von Beschichtungen modifiziert. Weiterhin werden spanende Bearbeitungsverfahren eingesetzt, um unterschiedliche Oberflächenrauheiten zu erzielen. Zur Untersuchung der tribologischen Eigenschaften wird ein Streifenziehversuch mit Umlenkung als modulare Erweiterung der bestehenden Warmstreifenziehanlage entwickelt. Basierend auf diesen Ergebnissen erfolgt eine Analyse der Zusammenhänge zwischen Eigenschaften der Werkzeugoberflächen und dem tribologischen Einsatzverhalten, mithilfe derer die bestehende Reibungsmodellierung um den werkzeugseitigen Einfluss erweitert wird. Die weiterentwickelte Reibmodellierung wird anhand des Napfzugversuchs, einer prozessnahen Geometrie im Labormaßstab und darauf aufbauend an einer industriell verwendeten B-Säulen Geometrie validiert.

Ergebniszusammenfassung:

Die zentrale Zielstellung dieses Projekts lag darin, grundlegende werkzeugseitige Maßnahmen zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß beim Presshärten zu identifizieren und ein Verständnis für grundlegende Wirkursachen zu schaffen.

Mittels Streifenziehversuchen wurde der Einfluss der Werkzeugrauheit, des Werkzeugwerkstoffs und der Werkzeugbeschichtung analysiert. Untersuchungen anhand polierter, geschliffener und hochgeschwindigkeitszerspanter Oberflächen ergaben, dass diese aufgrund des ausgeprägten adhäsiven Verschleißes keine signifikanten Auswirkungen auf Reibung und Verschleiß haben. Die Wahl des Werkzeugwerkstoffs hingegen kann die Reib- und Verschleißbedingungen beeinflussen. Ferner wurde die Wärmebehandlung der Werkzeugwerkstoffe variiert, um unterschiedliche Härtewerte zu erzeugen. Hierbei hatten die resultierende Härte und die Gefügestruktur einen Einfluss auf das Verschleißverhalten, wobei die jeweils härteren Varianten des Werkzeugwerkstoffs einen höheren Widerstand gegenüber adhäsivem Verschleiß aufwiesen. Zudem wurde der Einsatz von drei PVD-Beschichtungen analysiert. Durch die Werkzeugbeschichtungen konnte die Reibung signifikant reduziert und der Verschleißwiderstand erhöht werden.

Zur Untersuchung des Einflusses der Werkzeuggeometrie wurde eine Streifenziehanlage mit Umlenkung als modulare Erweiterung der bestehenden Flachbahnstreifenziehanlage entwickelt und aufgebaut. Bei Untersuchungen mit unterschiedlichen Reibbackenradien und Umschlingungswinkeln zeigte sich, dass kleine Radien in Verbindung mit geringen Werkstücktemperaturen zu einer Beschädigung der Werkstückbeschichtung führen. Ursache hierfür ist eine erhöhte Biegebelastung und eine geringere Duktilität der Beschichtung.

Anhand von Bauteilabpressungen einer B-Säulen-Geometrie im Labormaßstab wurden die Ergebnisse aus den Streifenziehversuchen grundlegend verifiziert, sodass die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf den Presshärteprozess gezeigt werden konnte.