Prozessintegrierte Schmierung im Folgezug
Verfasser:
M. Sc. Philipp Müller, M. Sc. Philipp Althaus, Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Dr.-Ing. Tobias Ehlers, Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer, Institut für Produktentwicklung und Gerätebau der Leibniz Universität Hannover
104 Seiten - 83,00 EUR (sw, 55 teils farbige Abb., 3 Tab.)
ISBN 978-3-86776-678-4
Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Projektes wurde eine prozessintegrierte Schmierung in einem Mehrstufenwerkzeug eingesetzt. Hiermit sollten die Prozesskräfte durch die Erzeugung eines hydrodynamischen Reibungszustandes gesenkt, der Werkzeugverschleiß reduziert sowie Zwischenbeölungsstufen oder Tauchbecken eingespart werden. Durch die direkte Einspritzung des Schmierstoffes in die Bereiche maximaler Kontaktnormalspannungen wird dieser mit größter möglicher Effizienz eingesetzt was erhebli-ches Einsparpotential bedeutet.
Zu diesem Zweck wurden Werkzeugmatrizen mit integrierten Schmierkanälen ausgelegt und mittels LPBF additiv gefertigt. Für die Auslegung der Werkzeugmatrizen wurde eine Entwicklungsumgebung mit gekoppelter Umform- und Strömungssimulation aufgebaut. Die Strömungssimulation wurde dabei durch eine Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Simulation abgebildet.
Für die experimentelle Charakterisierung wurde eine Dosiervorrichtung entwickelt und eingesetzt, mit deren Hilfe der Schmierstoff kontrolliert temperiert und in das Werkzeug gefördert werden kann. Messtechniken zur Überwachung der Umformkraft, des Öl-Druckes sowie des Volumenstromes dienten der Prozessüberwachung und Performance-Bewertung.
Die Bauteilqualität in Abhängigkeit der Prozessparameter wurde durch optische Messverfahren untersucht und bewertet. Ziel war es die vielversprechendsten Kanal-Geometrien, Schmierungs-Strategien sowie Schmierstoffe zu identifizieren, mit denen die Kriterien maximale Reibungsreduktion, minimaler Schmierstoffverbrauch und optimale Bauteilqualität erreicht werden.
Hierfür fanden zunächst Streifenziehversuche statt, in welchen die prozessintegrierte Schmierung auf Grundlagenebene untersucht wurde. Zur Bewertung der Verschleißbeständigkeit des für die additiv gefertigten Matrizen verwendeten MS1 Werkzeugstahls fand zudem eine Verschleißuntersuchung statt.
Anschließend wurde die prozessintegrierte Schmierung in der dritten Stufe eines sechsstufigen Werkzeuges zur Erzeugung eines Rundnapfes eingesetzt und untersucht.
Es konnte gezeigt werden, dass der MS1 Werkzeugstahl ein teilweise besseres Verschleißverhalten zeigt als der konventionelle Werkzeugstahl 1.2379. Qualifiziert wurde dies mit einer geringeren Neigung des MS1 inhomogen zu zerklüften. Die Streifenzieh- und Werkzeugversuche zeigten, dass eine schlitzartige Kanalauslass-Geometrie zu einer größeren Reibungsreduktion führt.
Für die Aufrechterhaltung des Schmierfilms über einen längeren Ziehweg erwiesen sich niedrigviskose Schmierstoffe als effizienter, da diese sich nicht so schnell abreiben wie höherviskose Schmierstoffe. Für die direkte Einspritzung in Gebiete hoher Kontaktnormal-spannung erwiesen sich höherviskose Schmierstoffe als vorteilhafter, da diese zu einem höheren hydrodynamischen Druckaufbau und damit besserer Schmierwirkung bei niedrigerem Schmierstoffverbrauch führen. Es konnte eine Reduzierung der Umformkraft um 26 % erzielt werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Prozessintegrierte Schmierung im Folgezug" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21586N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 609 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Within the scope of this project, process-integrated lubrication was used in a multistage tool. The aim was to reduce the process forces by creating a hydrodynamic friction condition, to reduce tool wear and to save intermediate oiling stages or dip tanks. By injecting the lubricant directly into the areas of maximum contact normal stress, it is used with the greatest possible efficiency, which means considerable savings potential.
For this purpose, tool matrices with integrated lubrication channels were designed and additively manufactured using LPBF. For the design of the tool matrices, a development environment with coupled forming and flow simulation was set up. The flow simulation was represented by a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simulation.
For the experimental characterisation, a dosing device was developed and used, with the help of which the lubricant can be tempered and conveyed into the tool in a controlled manner. Measurement techniques for monitoring the forming force, the oil pressure and the volume flow were used for process monitoring and performance evaluation.
The component quality as a function of the process parameters was investigated and evaluated using optical measuring methods. The aim was to identify the most promising channel geometries, lubrication strategies and lubricants with which the criteria of maxi-mum friction reduction, minimum lubricant consumption and optimum component quality could be achieved.
For this purpose, strip drawing tests were initially carried out, in which the process-integrated lubrication was investigated at the basic level. In order to evaluate the wear resistance of the MS1 tool steel used for the additively manufactured dies, a wear investigation was also carried out. Subsequently, the process-integrated lubrication was used and investigated in the third stage of a six-stage tool for the production of a round pin.
It could be shown that the MS1 tool steel shows a partially better wear behaviour than the conventional tool steel 1.2379. This was qualified with a lower tendency of the MS1 to inhomogeneously disintegrate. The strip drawing and tool tests showed that a slot-like channel outlet geometry leads to a greater friction reduction.
Low-viscosity lubricants proved to be more efficient for maintaining the lubricant film over a longer drawing distance, as they do not rub off as quickly as higher-viscosity lubricants. For direct injection in areas of high contact normal stress, higher viscosity lubricants proved to be more advantageous, as they lead to a higher hydrodynamic pressure build-up and thus better lubricating effect with lower lubricant consumption. A reduction of the forming force by 26 % could be achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Tribologie
2.1.1 Verschleiß
2.1.2 Beschichtungs- und Schmierkonzepte
2.2 Additive Fertigung
2.3 Ansätze zur Strömungssimulation
3 Materialien und Methoden
3.1 Aufbau einer Entwicklungsumgebung
3.2 Additive Fertigung
3.3 Dosiervorrichtung
4 Simulationsergebnisse
4.1 Identifikation der Kontaktnormalspannungen über den Ziehring
4.2 Aufbau und Ausbreitung des Fluidkissens
4.3 Auswertung der Reibarbeit
4.4 Auswertung der Faltenbildung
5 Streifenziehversuche
6 Verschleißuntersuchung
7 Werkzeugversuche
7.1 Kraftverläufe der Umformversuche
7.2 Druckverläufe
7.3 Bewertung der Bauteilqualität
8 Additive Repair
8.1 Reparatur von Fertigungsfehlern
8.2 Modernisierung zur Anpassung eines Prototyps an einen neuen Entwicklungsstand
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
