Werkstoffwoche Surface Engineering

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1 Werkstoffwoche Surface Engineering Verschleißverhalten maßgeschneiderter Oberflächen in der Umformtechnik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, M.Sc. Manuel Steitz, M.Sc. Matthias Christiany Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 1

2 Inhalt Einleitung und Motivation: Verschleiß in der Umformtechnik Strategien zur Verschleißreduktion Beispiel Surface Engineering Methodik zur lastabhängigen Verschleißprognose Zusammenfassung und Ausblick Verschlissene mikrostrukturierte Versuchsprobe 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 2

3 Einleitung und Motivation Definition und Bedeutung Verschleiß Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. [GFT2] Verschleißmechanismen: Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktion Jährlicher Verlust der Industrienationen durch Korrosion/ Verschleiß: 5% des BSP [Jost-Report] Jährliche Kosten durch Reibung und Verschleiß in Deutschland: 35 Mrd. [Gesellschaft für Tribologie] 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 3

4 Kontaktnormalspannung Oberflächenvergrößerung Relativgeschwindigkeit Einleitung und Motivation Typische Belastungen in der Umformtechnik Stempel Niederhalter Blech Matrize source: Bay, Azushima, Groche et al. 21 Aufbau Tiefziehwerkzeug [DIN ] 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 4

5 Einleitung und Motivation Zunehmende Verwendung AHSS in der Blechumformtechnik Verstärkter Einsatz höchstfester Bleche in der Automobilindustrie: Konstruktiver Leichtbau Umweltschutzaspekte Steigende Sicherheitsanforderungen Karosseriestruktur MQB-Plattform von Volkswagen [Sun12] [Sun12] Sundermeier, R.: Einsatz höchstfester Stähle in der Automobilindustrie; Vortrag, DVS-Seminar, Braunschweig, Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 5

6 Einleitung und Motivation Herausforderungen durch die zunehmende Verwendung von AHSS in der Blechumformtechnik Höhere Kräfte zur Umformung höchstfester Blechwerkstoffe erforderlich Adhäsiver Verschleiß Ansteigende tribologische Belastung der Umformwerkzeuge Verstärkten Verschleiß an den Umformwerkzeugen und abnehmende Prozesssicherheit Unsicherheiten bei der Prozessauslegung Abrasiver Verschleiß Maßnahmen zur Verschleißreduktion erforderlich 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 6

7 Einleitung und Motivation Strategien zur Verschleißreduktion in der Blechumformtechnik Werkzeugwerkstoff Hartstoffbeschichtung Schmierung Tribologische Beanspruchung Neue Werkstoffe Pulvermetallurgische Stähle Neue Beschichtungen Mehrschichtsysteme Alternative Schmierstoffe Kräfte senken Geometrische Anpassungen Mehraufwand und höhere Kosten Informationen zur Lebensdauer stehen nicht zur Verfügung Zusätzlicher markseitiger Einfluss: zunehmende Variantenvielfalt und abnehmende Losgrößen Umweltschutz Rechtliche Beschränkungen Verlässliche Informationen zur Lebensdauer von Werkzeugen erforderlich 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 7

8 Einleitung und Motivation Aktuelle Strategien zur Verschleißreduktion - Zusammenfassung Strategien zu Verschleißreduktion meist erfahrungsbasiert Maßnahmen zumeist nicht optimal Herstellung maßgeschneiderter Werkzeugoberflächen Vorhersage des Werkzeugverschleißes kaum möglich Auslegung tribolgischer Systeme mittels trial and error Systematische experimentelle Verschleißuntersuchungen zur Charakterisierung tribologischer Systeme 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 8

9 Möglichkeiten Verschleißdetektion Streifenziehversuch PtU Modellversuch für tribologische Untersuchungen in der Blechumformung Streifenziehversuch mit Ziehsicken-Anordnung Werkzeuggeometrien im Streifenziehversuch [GRO9] Abbildung charakteristischer Werkzeugbereiche offenes System Wiedergabe charakteristischer tribologischer Lasten im Modellversuch Analyse der Verschleißentwicklung anhand eines Streifenziehversuchs mit Ziehsickengeometrie Hohe Verschleißraten aufgrund hoher Belastungen und geringer Kontaktflächen [GRO9] Groche, P.; Engels, M.; Müller, C.; Bauer, K.: Optimierung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Werkzeugoberflächen durch Randschichtverfestigung. EFB-Forschungsbericht Nr Hannover Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 1

10 Rauheit Werkzeug [µm] Möglichkeiten Verschleißdetektion 2 Konventionelle Auswertung am Werkzeug Hübe [ ] Ausbau und Vermessung der Werkzeuge zu diskreten Zeitpunkten Hub 1 Hub 1 Hub Versagenszeitpunkt nicht bestimmbar µm Hub 117 Hub Aufrauhung Unzureichende Abbildung des Verschleißverhaltens Inline-Detektion wünschenswert 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 11

11 Profilhöhe [µm] Möglichkeiten Verschleißdetektion Monitoring System PtU Idee: Blechrauheit als Indikator für die Bauteilqualität Rückschluss auf Werkzeugzustand über Erfassung der Blechrauheit Kontinuierliche Erfassung der Blechrauheit im Streifenziehversuch Linearachse Sensor (chromatisch konfokal) Blechstreifen Profil R a [µm] R z [µm] Taktil 1,85 1,4 Optisch 1,67 9, Taktile Messung: Hommel.5 mm/s,.5 µm -- Optische Messung: Volcanyon 5 mm/s, 5 µm 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 12 Messstrecke [mm] Gute Übereinstimmung zwischen taktiler und optischer Messung Automatisierte Messdatenerfassung im Versuchsbetrieb Verbesserte Abbildung der Schädigungsentwicklung möglich

12 Temperatur [ C] Zugkraft [kn] Rauheit Werkzeug [µm] Rz (Blech) [µm] Möglichkeiten Verschleißdetektion Konventionelle Auswertung am Werkzeug Hub 1 Hub 1 Hub Aufrauhung µm Hub 117 Hub Hübe [ ] Rückschluss auf Werkzeug über Messung am Blech mittels Monitoring System Werkzeug: CP4M Blech: DP98Y7 Schmierstoff: PL61 (1,8 g/m²) Blechstärke: 1,14 mm Ziehgeschwindigkeit:1 mm/s Eindringtiefe: 3 mm Mittleres Lastniveau (2,25 kn Zugkraft) Hübe [ ] Hübe [ ] Hübe [ ] Aufrauhung der Kontaktzone während der ersten Hübe Werkzeugversagen aufgrund massiver Anhaftungen am Werkzeug Aber: Unzureichende Abbildung Inline Detektion von Werkzeugverschleiß möglich Gezielte Maßnahmen zur Verschleißreduktion erforderlich 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 13 Signifikanter Anstieg der Messdaten am Ende der Versuchsreihe Charakteristischer Verschleißverlauf nachvollziehbar

13 Surface Engineering Maßgeschneiderte Werkzeugoberflächen am Beispiel Tiefziehen Zielsetzung Reibungs- und verschleißreduzierte Werkzeugoberfläche Anforderung Vermeidung zusätzlicher Fertigungsschritt oder Fertigungszeitverlängerungen Ansatz Mikrostrukturierung der Werkzeugoberfläche zur Ausnutzung tribologischer Vorteile Kombination von maschineller Oberflächenbehandlung mit Werkzeugstrukturierung 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 14

14 Surface Engineering Vorstellung Maschinelles Oberflächenhämmern - Technologie Funktionsweise Kinetische Energie des Hammerkopfes plastischer Umformung Werkstück Technologie Elektro-magnetischer Antrieb Pneumatischer Antrieb Piezo-elektrischer Antrieb Hämmerfrequenz Zeilenabstand Auftreffwinkel Hub- Energie Manipulation mittels Bearbeitungszentrum & Roboter Freiformflächenbearbeitung Vorschub Bahnorientierungswinkel Hub Durchmesser Hammerkopf 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 15

15 Knoop-Härte [HK,5] Surface Engineering Vorstellung Maschinelles Oberflächenhämmern - Effekte Härtesteigerung Druckeigenspannungen Einglättung der Oberfläche Verkürzung Zeitbedarfs in Prozesskette Gehämmert Geklopft Ausgangshärte Tiefe [µm] Gefräste Oberfläche [µm] 15 7,5, -7,5 Gehämmert -15 [Ford Forschungszentrum Aachen] 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 16

16 Surface Engineering Funktionalisierung der Werkzeugoberfläche durch Strukturierung mittels Hämmern Mikrospitze auf Hammerkopf Kegelstumpf, Trapezoid 1 µm Ergebnis Mikrostrukturierung Hammerkopf mit Mikrospitze (REM) Einglättung und deterministische Oberflächenstrukturierung zur gleichen Zeit Wirkungsweise als Schmierstofftasche während Tiefziehprozess 4 µm Kegelstumpf-Struktur 3,5 [µm] 1,75, -1,75-3,5 4 µm Trapezoide Struktur Werkstoff Größe 46,6 µm Tiefe 3,2 µm Ra (zwischen Struktur),11 µm Geometrie Struktur 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 17

17 Reibkoeffizient µ [-] Surface Engineering Reibungsreduktion im Streifenziehversuch durch Mikrostrukturierung Reibwerte stark abhängig von Bedeckung der Oberfläche mit Schmierstofftaschen (Optimum ~2%) Signifikanter Einfluss des Schmierstoffes auf Reibwert,7,6,5,4,3 4 MPa 4 MPa 8 MPa 8 MPa 25,5 % 27,1 % 14,6 % 38,5 % Signifikante Reduzierung der Reibung infolge der Mikrostrukturierung möglich Langzeitbeständigkeit der Strukturen unbekannt,2,1, polished Poliert (gehärtet) (hardened) Trapezoide trapezoid Mikrotextur, T_2 2% Bedeckung 6 Messungen je Wert; Werkzeug: (T = 4 C), Blech: DP8 Schmierung: Z+G PL61, rhenus SU 166 A (je 1,2 1,5 g/m²) Ziehgeschwindigkeit = 5 mm/s; Ziehweg = 1 mm 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 18

18 Surface Engineering Ermittlung der Verschleißeigenschaften im Streifenziehversuch Mikrostrukturierter Werkzeugstahl in Kombination mit Blech Al99,9 Blech DP8 Adhäsiver Verschleiß (Al99,9) zwischen Struktur 85 µm [µm] 5, 2,5, -2,5 Auffang Zinkabrieb in Schmierstofftaschen Keine Geometrieänderung der Strukturgeometrie vs. Al99, vs. DP8+Z Werkzeug: ; Blech: Al99,9, DP8+Z Schmierung: rhenus SU 166 A (15 g/m²; 1,2 1,5 g/m²) Ziehgeschwindigkeit = 1 mm/s; Ziehweg = 1 mm Anzahl Hübe: 4; Kontaktnormalspannung: steigernd -5, Ziehrichtung Optimierte Anordnung der Strukturen notwendig Wirkungsweise & Verschleißbeständigkeit der Strukturen nachgewiesen 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 19

19 Surface Engineering Effekt im realen Tiefziehversuch Mikrostrukturierter ebener Flanschbereich beim Napfziehen Erweiterung des Gutteilfensters beim Tiefziehen Keine Nachteile hinsichtlich Werkstückqualität durch Mikrostruktur Werkzeug: ; Blech: DX56(Z1) Schmierung: Rhenus SU 166 A (1,2 1,5 g/m²) Verschiebung der Prozessgrenzen durch gezieltes Surface Engineering 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 2

20 Experimentelle Verschleißversuche Übersicht der Versuchsmatrizen Intermittierender Streifenziehversuch (1 Hübe) MPa Tribologisches System Höchste Belastung im Modellwerkzeug Werkzeugwerkstoff (ungehärtet) 3 Werkzeuge je Oberfläche Blechwerkstoff Schmierstoff Schmierstoffmenge Lastkollektiv DP8+Z Initialbeölung (Prelube) + Ziehöl Rhenus SU = 166 A 1,2-1,5 g/m² 3 unterschiedliche Lastniveaus: - Maximallast (Kontaktnormalspannung: ca. 57 MPa) - Mittlere Last (Kontaktnormalspannung: ca. 5 MPa) - Niedrige Last (Kontaktnormalspannung: ca. 35 MPa) Oberfläche 1 Oberfläche 2 Oberfläche 3 poliert Gehämmert (MHP) gehämmert (MHP) + Mikrostruktur Dokumentation Werkzeugoberfläche Rauheitsmessung nach, 1, 1 und 1 Hüben (optisch, taktil) 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 21

21 Ra (werkzeug) [µm] Ra (Werkzeug) [µm] Ra (Werkzeug) [µm] Experimentelle Verschleißversuche Vergleichende Verschleißversuche bei abgestuften Lastniveaus* 2,5 2,5 2,5 2 poliert 2 MHP 2 MHP + Mikrostruktur Maximallast Mittlere Last Niedrige Last 1,5 1,5 1, ,5,5, Hübe [ ] Hübe [ ] Hübe [ ] Abmessung: Je 1,35mm x 2mm Verschleißreduzierung durch Oberflächenhämmern und Mikrostrukturierung Höhe des Lastniveaus beeinflusst Veränderung der Werkzeugrauheit 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 22 *Tao Bo: Masterarbeit, PtU, TU Darmstadt, 215

22 Rz (Blech) [µm] Rz (Blech) [µm] Rz (Blech) [µm] Experimentelle Verschleißversuche Verschleißentwicklung Mikrostruktur Hub Niedrige Last µm Hub Niedrige Last Maximallast Mittlere Last Niedrige Last Hübe [ ] Hübe [ ] Hübe [ ] µm 4 Höhe des Lastniveaus beeinflusst die Verschleißentwicklung der Tribosysteme Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 23 Entwicklung einer Methodik zur lastabhängigen Verschleißprognose

23 Belastung Verschleißfestigkeitskennlinien Ableitung Verschleißfestigkeitskennlinien zur Charakterisierung von Tribosystemen Betriebsfestigkeit: Abschätzung der Lebensdauer anhand von Wöhlerlinien Umformtechnik Zusammenhang zwischen wirkender Belastung und resultierender Standzeit Ableitung von Verschleißfestigkeitskennlinien Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener tribologischer Systeme Wöhlerlinie [Hai6] Tribosystem A Tribosystem B Tribosystem C [Hai6] Haibach, E.: Betriebsfestigkeit - Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung; Springer, Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 24 Hubzahl

24 Kontaktnormalspannung [N/mm²] Verschleißfestigkeitskennlinien Kontaktnormalspannung als kennzeichnende Belastungsgröße 1 8 Darstellung ermöglicht qualitative Vergleiche verschiedener Tribosysteme Werkzeug: CP4M, Dörrenberg Edelstahl Schmierung: PL 61(1,2 1,5 g/m²) Ziehgeschwindigkeit = 1 mm/s Ziehweg pro Hub = 1 mm Hübe [ ] DP98 ZStE1 DP8 R m : 98 N/mm² R m : 1 N/mm² R m : 78 N/mm² Einfluss einzelner Faktoren kann anhand Diagramm ausgewertet werden: Einfluss der Festigkeit (DP98 DP8) Einfluss der metallurgischen Zusammensetzung (DP98 ZStE1) 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 25

25 Zusammenfassung Inline Detektion von Werkzeugverschleiß möglich Signifikante Reduzierung der Reibung infolge der Mikrostrukturierung möglich Verschiebung der Prozessgrenzen durch gezieltes Surface Engineering Methodik zur lastabhängigen Verschleißprognose Reduzierung von Reibung und Verschleiß durch Herstellung tribologisch günstiger Oberflächenstrukturen möglich 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 26

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 29. Oktober 215 Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen Prof. Peter Groche 27