Beschreibung
P 871 – Charakterisierung der Reibverhältnisse beim Presshärten und partiellen Presshärten von höchstfesten Vergütungsstählen
Im Zuge des Ansatzes, Leichtbau mit hoch- und höchstfesten Stahlwerkstoffen zu betreiben, hat sich Presshärten zu einem Standardverfahren für die Herstellung sicherheitsrelevanter Strukturbauteile etabliert. Die korrekte Prozessauslegung von Presshärteprozessen mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation (FE) erfordert genaue Kenntnisse der vorherrschenden tribologischen Bedingungen im Umformprozess. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Versuchsanlage zur Ermittlung der Reibverhältnisse unter Presshärtebedingungen entwickelt und aufgebaut.
Das Ziel der Untersuchungen war, die Reibverhältnisse für das direkte und partielle Presshärten umfassend zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mittels eines zeit- und ortsabhängigen numerischen Reibmodells in kommerzielle FE-Software integriert. Hierzu wurde im Projektzeitraum eine Warmstreifenziehanlage konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Durch einen beheizten Schlitten, der dem Transport des erwärmten Blechs dient, wird dabei sichergestellt, dass die Reibverhältnisse unter prozessnahen Bedingungen durch Messung der Ziehkraft am Blechstreifen und der Normalkraft an der Reibbacke ermittelt werden können. Anhand von Streifenziehversuchen wurden Reibzahlen in Abhängigkeit der Prozessparameter Werkzeug- und Werkstücktemperatur, Flächenpressung und Relativgeschwindigkeit ermittelt. Hierbei wurde nachgewiesen, dass ein Anstieg dieser Prozessparameter für AlSi-beschichtete Bleche insgesamt zu einer Reduzierung der Reibzahl führt. Steigende Flächenpressungen und Relativgeschwindigkeiten resultieren für Bleche mit Zn-Beschichtung ebenfalls in einer reduzierten Reibung. Mit steigenden Temperaturen hingegen wurde eine erhöhte Reibung gemessen. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurde ein Reibmodell entwickelt und in die FE-Software Auto-Form implementiert. Das entwickelte Reibmodell wurde anschließend in einem ersten Schritt anhand einer Napfzuggeometrie im Laborversuch verifiziert. Im Anschluss an das Projekt soll das Modell von den Industriepartnern anhand der Geometrie eines Serienbauteils bewertet werden. Die Prozesssimulation in der Warmblechumformung, insbesondere beim partiellen Presshärten, wird durch das erweiterte Reibmodell deutlich verbessert. Dadurch kann die äußerst kosten- und zeitintensive Prozessauslegung einschließlich der Werkzeugeinarbeitung, insbesondere auch für KMUs, beschleunigt werden. Zudem kann eine gezielte Weiterentwicklung von Werkstoffen und Beschichtungen hinsichtlich tribologischer Eigenschaften durch die Stahlhersteller erfolgen.
Das Forschungsvorhaben wurde am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, durchgeführt.
Autoren:
M. Merklein, M. Rosenschon, P. Schwingenschlögl
Veröffentlichung:
2018
