Einsatz wasserbasierter Schmierstoffe für die Anwendung in der Blechumformung
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. Sinan Yarcu, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover
108 Seiten - 76,00 EUR (sw, 47 teils farbige Abb., 5 Tab.)
ISBN 978-3-86776-680-7
Zusammenfassung
Das Forschungsvorhaben fokussierte auf die Untersuchung der tribologischen Eigenschaften dieser Schmierstoffe. Speziell ging es um ihre Anwendbarkeit im Tiefziehprozess, um sie als Alternative zu herkömmlichen mineralölbasierten Schmierstoffen zu prüfen. Das Ziel war, eine umweltfreundliche und effiziente Lösung für die Blechumformungsindustrie zu etablieren.
Die wissenschaftliche Fragestellung des Projektes zielte darauf ab, das Verhalten von wasserbasierten Schmierstoffen als Zusatzschmierung in der Blechumformung zu ermitteln. Da durch den Einsatz dieser Schmierstoffe ein neues, bisher nicht untersuchtes tribologisches System entsteht, ergibt sich ein innovatives Forschungsfeld.
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf verschiedene Schwerpunkte: die Benetzungsfähigkeit der Schmierstoffe auf den Metalloberflächen, die Bestimmung der Reibwerte, die Analyse des Verschleißverhaltens, die Tiefziehbarkeit der behandelten Bleche sowie die Schweißbarkeit mittels Widerstandspunktschweißen.
Die Bedeutung dieses Projekts lässt sich insbesondere aus wirtschaftlicher Perspektive hervorheben, da es die Möglichkeit bietet, die Anzahl der notwendigen Reinigungsschritte zu reduzieren, die bei der Verwendung mineralölbasierter Schmierstoffe anfallen.
Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene wasserbasierte Schmierstoffe hinsichtlich ihrer Reibwerte und Verschleißfestigkeit untersucht, um deren Eignung für die Blechumformung zu bewerten.
Die Hypothese des Projekts war, dass durch die gezielte Additivierung und Anpassung vergleichbare tribologische Eigenschaften wie bei mineralölbasierten Schmierstoffen erreicht werden können. Hierzu wurden zu Beginn von den Herstellern der Schmierstoffe jeweils drei wasserbasierte Schmierstoffe bereitgestellt und im Laufe des Projekts in insgesamt drei Chargen angepasst.
Im Rahmen der Untersuchungen wurden Streifenziehversuche durchgeführt, um den Einfluss der Schmierstoffe auf das Reibverhalten beim Tiefziehen zu bestimmen, sowie Tiefziehversuche mit Hutprofilgeometrie, um die allgemeine Anwendungstauglichkeit der wasserbasierten Schmierstoffe zu demonstrieren. Es zeigte sich, dass die Umformung mit wasserbasierten Schmierstoffen grundsätzlich fehlerfrei möglich ist und dass, abhängig vom verwendeten Werkstoff, vergleichbare oder sogar bessere Reibwerte erzielt werden können.
Die Untersuchung der Benetzungsfähigkeit über den Kontaktwinkel zwischen Fluid und Feststoff ergab zudem, dass wasserbasierte Schmierstoffe aufgrund ihrer geringeren Viskosität im Vergleich zu mineralölbasierten Schmierstoffen eine verbesserte Benetzung gewährleisten. Auf warmen Oberflächen wird die Benetzung weiterhin verbessert.
Bei der Untersuchung des Verschleißes mittels eines Verschleißprüfstandes konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung von wasserbasierten Schmierstoffen im Vergleich zum Anlieferungszustand, bei dem sich ausschließlich ein mineralölbasiertes Prelube auf der Blechoberfläche befindet, eine Reduzierung des Verschleißes bewirkt.
Die Schweißuntersuchung mittels Widerstandspunktschweißen ergab, dass die Herstellung von Verbindungen mit wasserbasierten Schmierstoffen grundsätzlich möglich ist, die Festigkeit der Verbindungen jedoch je nach Additivzusammensetzung beeinflusst werden kann.
Die Forschungsarbeit fokussierte auf die Entwicklung eines analytisch-empirischen Modells zur Interpretation und Anwendung der Ergebnisse aus den Tiefziehversuchen mit Hutprofilgeometrie, welche die Performance von Schmierstoffen im Verhältnis zu ihrem Zustand bei Auslieferung evaluieren.
Ziel war es, durch dieses Modell präzise Anpassungen an der Zusammensetzung der Schmierstoffe vorzunehmen, um deren Effektivität und Anwendbarkeit in industriellen Prozessen zu optimieren. Das hierzu erstellte lineare Regressionsmodell konnte zeigen, dass die Vorhersagen des Modells präzise sind.
Das Projektziel war es, die Prozessgrenzen der wasserbasierten Schmierstoffe in der Blechumformung zu erforschen und ein Modell zu entwickeln, das die Erkenntnisse auf andere Anwendungsbereiche übertragen kann. Die Forschung trug somit dazu bei, das Verständnis über wasserbasierte Schmierstoffe zu vertiefen und ihre Anwendung in der Industrie zu fördern, indem sie eine umweltfreundliche und effektive Alternative zu herkömmlichen mineralölbasierten Schmierstoffen bietet.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Einsatz wasserbasierter Schmierstoffe für die Anwendung in der Blechumformung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21287N 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. 611 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The research project "Use of water-based lubricants for sheet metal forming applications" focused on investigating the tribological properties of these lubricants. In particular, their applicability in the deep drawing process was investigated as an alternative to conventional mineral oil-based lubricants. The goal was to provide an environmentally friendly and efficient solution for the sheet metal forming industry.
The scientific question of the project was to determine the behavior of water-based lubricants as an additional coating in sheet metal forming. Since the use of these lubricants creates a new tribological system that has not been studied before, this is an innovative field of research.
The investigations focused on several aspects: the wetting ability of the lubricants on the metal surfaces, the determination of the coefficients of friction, the analysis of the wear behavior, the deep drawability of the treated sheets and the weldability by resistance spot welding. The importance of this project can be particularly emphasized from an economic point of view, as it offers the possibility of reducing the number of cleaning steps required when using mineral oil-based lubricants.
In this project, various water-based lubricants were investigated for their coefficients of friction and wear resistance to evaluate their suitability for sheet metal forming. The hypothesis of the project was that tribological properties comparable to those of mineral oil-based lubricants could be achieved through targeted additives and adaptation. To this end, three water-based lubricants were initially provided by the lubricant manufacturers and adapted in a total of three batches during the course of the project.
The investigations included strip drawing tests to determine the influence of the lubricants on the friction behavior during deep drawing and strip drawing tests to demonstrate the general suitability of the water-based lubricants. It was shown that forming with water-based lubricants is basically error-free and that, depending on the material used, comparable or even better coefficients of friction can be achieved.
The investigation of the wetting ability via the contact angle between liquid and solid also showed that water based lubricants provide improved wetting due to their lower viscosity compared to mineral oil based lubricants. Wetting is further improved on warm surfaces. Wear testing on a wear test rig showed that the use of water-based lubricants reduces wear compared to the as-delivered condition where only a mineral oil-based prelube is present on the sheet metal surface. Welding tests using resistance spot welding showed that it is possible to produce joints with water-based lubricants, but that the strength of the joints can be influenced by the additive composition.
The research work focused on the development of an analytical-empirical model for the interpretation and application of the results of skin pull tests, which evaluate the performance of lubricants in relation to their condition on delivery.
The aim was to use this model to make precise adjustments to the composition of lubricants in order to optimize their effectiveness and applicability in industrial processes. The linear regression model created for this purpose was able to show that the predictions of the model are accurate.
The goal of the project was to investigate the process limits of water-based lubricants in sheet metal forming and to develop a model that can be applied to other application areas. The research thus contributed to a better understanding of water-based lubricants and promoted their use in industry as an environmentally friendly and effective alternative to conventional mineral oil-based lubricants.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Tiefziehen
2.2 Tribologie
2.2.1 Verschleiß
2.2.2 Wasserbasierte Schmierstoffe
2.2.3 Emulsion
2.2.4 Trockenschmierstoffe
2.2.5 Schmierung
2.2.6 Oberflächenbeschaffenheit / Topographie
2.3 Benetzung
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Verwendete Werkstoffe und Schmierstoffe
4.1.1 Verwendete Schmierstoffe
4.1.2 Verwendete Werkstoffe
4.2 Streifenziehversuche zur Reibwertermittlung
4.2.1 Streifenziehversuch mit Umlenkung
4.2.2 Streifenziehversuch mit linienförmiger Belastung (Renault-Test)
4.3 Untersuchung der Tiefziehbarkeit
4.4 Kontaktwinkelanalyse
4.5 Modellentwicklung zur Optimierung des Tribosystems
4.5.1 Lineare Regression
4.5.2 Entwicklung des linearen Regressionsmodells
4.5.3 Implementierung des Regressionsmodells in Python
4.6 Verschleißuntersuchungen
4.7 Tiefziehversuch mit komplexer Werkzeuggeometrie
4.8 Schweißuntersuchungen
5 Industriellen Anwendbarkeit
6 Fazit und Ausblick
6.1 Ergebnisse des Projekts
6.2 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literaturverzeichnis
