Tribologie, Schmierung und Topografie in der Prozesskette Rohkarosserie.

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1 Seite 1 Tribologie, Schmierung und. Dr.-Ing. J. Staeves Technologie lackierte Karosserie

2 Seite 2 Tribologie,. Inhalt. Tribologische Systeme der Karosserieumformung Karosseriewerkstoffe Blechbeschichtungen Schmierstoffeinsatz in der Serienfertigung Werkzeugwerkstoffe und Werkzeugbeschichtungen Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit Bauteilversuche Modellversuche Messmethoden Blechtopografie Dressierverfahren Tribologische Wirkmechanismen der Topografie Rauheitskenngrößen Experimentelle Untersuchungen Zusammenfassung

3 Seite 3 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Karosseriewerkstoffe. Stahlbleche Aluminium Kunststoffe Magnesium höherfeste Stähle mikrolegiert H260LA-H420LA weiche Stähle phosphorlegiert Bake Hardening H180P-H300P H180B-H300B Unlegiert DC01-5 isotrop H220I-H300I mikroleg. DC06 interstitial free H180Y-H300Y Dualphasen H270X-H340X TRIP-Stähle TRIP CP u. MS-Stähle CP

4 Seite 4 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Stahlwerkstoffe. Art des Stahls (Güte/Sorte) unlegiert IF weich (mikrol.) mikrolegiert phosphorlegiert isotrop interstitial free Dualphasen TRIP-Stähle Complexphasen Martensitphasen Aktuelle Bezeichnung DC01-DC05 DC06 H260LA-H420LA H180P-H300P H220I-H300I H180Y-H300Y H270X-H340X Weitere Bezeichnungen FeP01-Fep05, St12, St14 FeP06 ZStE260-ZStE420 ZStE180P-ZStE300P HIZ 220, ZStE220 i IF180, ZStE180 IF DP500, DP 30/50 TRIP , RA-K 40/70 CP MS 800, TMS 800

5 Seite 5 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Bezeichnung höherfester Stahlwerkstoffe. H 300 X B P LA I Y X T C M Bake Hardening Stahl Phosphorlegiert Mikrolegiert isotrop IF Stahl Dual Phasen Stahl TRIP Stahl Complex Phasen Stahl Martensit Phasen Stahl Untere Toleranzgrenze der Streckgrenze in N/mm² H D Kaltgewalzter höherfester Stahl Warmgewalzter höherfester Stahl

6 Seite 6 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Stahlwerkstoffe. Bruchdehnung A80 [%] Weiche IF-Stähle DC01-05 Bake-Hardening-Stähle Phosphorlegierte Stähle Mikrolegierte Stähle Dual-Phasen-Stähle TRIP-Stähle CP-Stähle MS-Stähle Streckgrenze [N/mm²]

7 Seite 7 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Entwicklung des Anteils höherfester Stähle Gewichts% HSS BMW 7er BMW 5er BMW 3er

9 Seite 9 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Blechbeschichtungen. metallisch organisch Duplex Elektrolytisch verzinkt (ZE, ZN) Schmelztauchen (Z) Coilcoating Bonazink Grannocoat dry film lubricants... ZE + Bonazink ZE + Grannocoat... Wärmebehandlung ( Z ZF ) Phosphatierung (ZEph, Zph,...)

10 Seite 10 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Blechbeschichtungen. Elektrolytische Verzinkung Schmelztauch- Verzinkung Elektrolyt Zink Elektrolyt Zink+Nickel Ohne Wärmebehandlung Mit Wärmebehandlung ZE (EZ) Elozink Zn/Ni Zink-Nickel Z (GI) Feuerzink ZF (GA) galvannealed

11 Seite 11 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Blechbeschichtungen. Schmelztauchbeschichtung Nachbehandlung Wärme- Zinkbad Behandlungsofen Dressieren (Wärmebehandlung) Beölung Abcoilen Band- Schweißanlage Bandspeicher Elektrolysezellen Vorbehandlung Aufcoilen Bandspeicher Elektrolytische Beschichtung

13 Seite 13 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Schmierstoffeinsatz. Anforderungen an das Schmiersystem / Komplexität der Umformung Außenhautteile: Grundbeölung Korrosionsschutzöl 1-2 g/m² Innenblechteil kritisch: Grundbeölung Korrosionsschutzöl 1-3 g/m² Innenblechteil weniger kritisch: Grundbeölung Prelube 1-3 g/m² Innenblechteil einfach: Grundbeölung Korrosionsschutzöl 1-3 g/m² Waschen und Rückbeölung 1-2 g/m² (partielle) Zusatzbeölung im Preßwerk Abpressen alkalische Entfettung Rohbau

15 Seite 15 Tribologische Systeme der Karosserieumformung. Werkzeugbeschichtungen. Grundwerkstoffe Prototypen- und Vorserienwerkzeuge Kunststoff, Gießharze Zamak Cerrotru,... Serienwerkzeuge GG 25 GG 25 CrMoV GGG 60, GGG 70,... Stark beanspruchte Serienwerkzeuge GS ,... Ampco,... Beschichtungen Diffusionsschichten Nitrieren Vanadieren Borieren,... Auflageschichten Verchromen PVD TiN TiC TiCN CrN WCC,... CVD TiN TiC TiC/TiN,...

17 Seite 17 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Anforderungen an tribologische Systeme. Beschichtung gut von Grundwerkstoff trennbar keine störenden Legierungselemente in Schmelze Geringer Reparaturaufwand Vermeidung giftiger Schleifstäube Korrosionsschutz Alterungsbeständigkeit Lackglanz Lackhaftung Kratzer und Steinschlag Recycling Weiterverarbeitung Reraratur Gebrauch Reibung und Verschleiß beim Walzen Blech- Herstellung Anforderungen Vermeidung von Klebern bei der Wärmebehandlung Blechumformung Korrosionsschutz Vermeidung von Blechdopplungen Verschleiß an Werkzeug- und Blechoberfläche konstante Reibung Korrosionsschutz Schweißbarkeit Klebbarkeit Lackierbarkeit Abwaschbarkeit

18 Seite 18 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Anforderungen an Prüfverfahren. Fertigungsgerechte Auswahl von Werkund Prozessstoffen Optimierung von Werk- und Prozessstoffen Bauteil- Versuche Prozesssicherheit Bauteilqualität Entwicklung neuer Werk- und Prozessstoffe Eindeutige Spezifikation von Werk- und Prozessstoffen Modell- Versuche Messmethoden Verfahrensgrenzen Umweltverträglichkeit Kosten Ermittlung von Materialdaten für die FE-Simulation

19 Seite 19 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Kategorien der Reibungs- und Verschleißprüfung. Prüfprinzip Kategorie I-III Kategorie IV Betriebsversuch Übertragbarkeit auf Realprozess Kategorie V Kategorie VI Modellversuch Messtechnische Zugänglichkeit

21 Seite 21 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Arbeitsdiagramm. mittlere Flächenpressung unter dem Blechhalter [N/mm²] Reissergrenze Faltengrenze 1 0 1,8 1,85 1,9 1,95 2 relatives Ziehverhältnis b

22 Seite 22 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Arbeitsdiagramm bei Variation des Schmierstoffs. mittlere Flächenpressung unter dem Blechhalter [N/mm²] zunehmende Viskosität des Schmierstoffs (16 bis 100 mm²/s) ,8 1,85 1,9 1,95 2 relatives Ziehverhältnis b

23 Seite 23 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Arbeitsdiagramm bei Variation des Blechwerkstoffs. Blechhalterkraft [kn] Falten St 14 Reißer St 14 Falten ZStE 220 BH Reißer ZStE 220 BH Falten ZStE 300 Reißer ZStE ,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 relatives Ziehverhältnis b

24 Seite 24 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss der Ziehteilgröße auf die Reibung. Kraft [kn] Reibungskraft Umformkraft Blechwerkstoff St 14 Blechdicke 1 mm Stempeldurchmesser d St [mm]

25 Seite 25 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss der Ziehteilgröße auf das maximale Ziehverhältnis. Grenzziehverhältnis 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 Blechwerkstoff St 14 Blechdicke 1 mm Stempeldurchmesser d St [mm]

26 Seite 26 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Schmierstoffe. Reibungszahl 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Werkzeuggeometrie rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech Umformwerkstoff St 14 Blechdicke 0,8 mm Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm 0,1 Werkzeug 0,05 Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV Oberfläche geschliffen u. poliert 0 Ziehöl Mit Wasser verdünnte Emulsion Ziehemulsion Korrosionsschutzöl Umformparameter Ziehverhältnis 2,0 Flächenpressung 2,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s

27 Seite 27 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkzeugwerkstoffe bei unbeschichtetem Blech mit Emulsion. Reibungszahl 0,35 Reißer 0,3 0,25 0,2 0,15 Werkzeuggeometrie rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech Umformwerkstoff St 14 Blechdicke 0,8 mm Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm 0,1 Werkzeug 0,05 Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV Oberfläche geschliffen u. poliert 0 Cerrotru GG25 CrMoV Zamak Kunststoff Umformparameter Ziehverhältnis 2,0 Flächenpressung 2,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s Beölung 3,5 g/m²

28 Seite 28 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkzeugwerkstoffe bei verzinktem Blech mit Emulsion. Reibungszahl Werkzeuggeometrie 0,35 rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm 0,3 0,25 Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech 0,2 0,15 Umformwerkstoff St 14 Blechbeschichtung ZE 75/75 Blechdicke 0,8 mm 0,1 Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm Werkzeug 0,05 0 Cerrotru GG25 CrMoV Zamak Kunststoff Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV Oberfläche geschliffen u. poliert Umformparameter Ziehverhältnis 2,0 Flächenpressung 2,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s Beölung 3,5 g/m²

29 Seite 29 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkzeugwerkstoffe bei unverzinktem Blech mit Öl. Reibungszahl Werkzeuggeometrie 0,35 rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm 0,3 0,25 Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech 0,2 0,15 Umformwerkstoff St 14 Blechbeschichtung keine Blechdicke 0,8 mm 0,1 Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm Werkzeug 0,05 0 Cerrotru GG25 CrMoV Zamak Kunststoff Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV Oberfläche geschliffen u. poliert Umformparameter Ziehverhältnis 2,0 Flächenpressung 2,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s Beölung 3,5 g/m²

30 Seite 30 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkzeugwerkstoffe bei verzinktem Blech mit Öl. Reibungszahl Werkzeuggeometrie 0,35 rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm 0,3 0,25 Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech 0,2 0,15 Umformwerkstoff St 14 Blechbeschichtung ZE 75/75 Blechdicke 0,8 mm 0,1 Oberflächenrauheit Ra 1,56 mm Werkzeug 0,05 0 Cerrotru GG25 CrMoV Zamak Kunststoff Werkzeugwerkst. GG25 CrMoV Oberfläche geschliffen u. poliert Umformparameter Ziehverhältnis 2,0 Flächenpressung 2,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s Beölung 3,5 g/m²

31 Seite 31 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Verschleißfestere Werkstoffe. Reibungszahl 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 TiC/TiN GG 25 CrMoV Ampco 26 GGG 60 Werkzeuggeometrie rotationssymmetrischer Napf Stempeldurchmesser 150 mm Matrizenradius 8 mm Stempelradius 10 mm Blech Umformwerkstoff ZStE 300 BH Blechbeschichtung keine Blechdicke 0,8 mm Oberflächenrauheit Ra 1,59 mm Werkzeug Oberfläche geschliffen u. poliert Umformparameter Ziehverhältnis 1,9 Flächenpressung 11,5 N/mm² Ziehgeschwindigkeit 14 mm/s Schmierstoff Emulsion Beölung 3,5 g/m²

33 Seite 33 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Streifenziehversuch. Flachbahn Umlenkung Ziehsicke Coil Reinigungs- und Beölungsanlage Werkzeug Getriebemotor

34 Seite 34 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss des Schmierstoffs im Streifenziehversuch. Reibungszahl 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Schmierstoffmenge: 2 g/m² Reinigung: Öl, Hochdruck Blech: St 14 elo verzinkt Werkzeug: GGG Kontaktnormalspannung [N/mm²] Schmierstoff 1 Schmierstoff 2 Schmierstoff 3 Schmierstoff 4

35 Seite 35 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss der Schmierstoffmenge im Streifenziehversuch. 0,2 0,7 g/m² Reibungszahl 0,15 0,1 1 g/m² 1,5 g/m² 2 g/m² 3 g/m² 0, Kontaktnormalspannung [N/mm²]

36 Seite 36 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Einfluss der Blechtopografie im Streifenziehversuch. Reibungszahl 0,2 0,15 0,1 Blech 1, 200 mm/s Blech 1, 100 mm/s Blech 1, 50 mm/s Blech 2, 200 mm/s Blech 2, 100 mm/2 Blech 2, 50 mm/s 0, Kontaktnormalspannung [N/mm²]

37 Seite 37 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Vergleich der Einflussgrößen auf die Reibung im Streifenziehversuch Blechtopografie Werkzeug / Beschichtung Werkzeugtopografie Schmierstoffart Schmierstoffmenge Verzinkt / unbeschichtet Reinigung des Bleches größte Differenz der maximalen Kontaktnormalspannungen [N/mm²]

39 Seite 39 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Werkstoffprüfungen. Blechwerkstoff Zugversuche, Fließkurven Grenzformänderungsdiagramme Kreuzzugversuche, Fließortkurven Rauheit Beschichtungsdicke Beschichtungshärte Chemische Analyse Werkzeug Härte Rauheit Chemische Analyse Schmierstoff Schmierstoffmenge Viskosität Chemische Analyse

40 Seite 40 Prüfverfahren zur Beurteilung der Umformbarkeit. Zusammenfassung. Neue Anforderungen an tribologische Systeme in der Karosserieumformung Neue und höherfeste Werkstoffe Prozesssicherheit, Verringerung Ausschuss (Ökonomie) Umweltverträglichere Schmiersysteme (Ökologie) Gestiegene Anforderungen an Prüfmethoden Entwicklung und Optimierung neuer Systeme Eindeutige Spezifikation Anforderungsgerechte Auswahl tribologischer Systeme Paralleler Einsatz und Abgleich von: Bauteilversuchen Modellversuchen Messmethoden

42 Seite 42 Blechtopografie. Dressierverfahren. Shot Blast Texturing (SBT). ½ m v² Schleuderrad Strahlgut Walze

43 Seite 43 Blechtopografie. Dressierverfahren. Electrical Discharge Texturing (EDT). Entladungskanal Walze Schmelze Geschmolzenes Walzenmaterial Elektrolyt Elektroden

44 Seite 44 Blechtopografie. Dressierverfahren. Laser Texturing (LT). Inertgas Laserstrahl Laseroptik Chopperrad Schmelze Laserstrahl Erstarrte Schmelze

45 Seite 45 Blechtopografie. Dressierverfahren. Electron Beam Texturing (EBT). Elektronenstrahl Vakuum-Kammer Elektronenoptik Elektronenstrahl Schmelze Erstarrte Schmelze

46 Seite 46 Blechtopografie. Dressierverfahren. Precision Texturing / Pretex. Anode Drehender Deckel Walze Chrom-Elektrolyt Reaktor Kathode / Walze Anoden Chrom-Elektrolyt Abgeschiedene Chrom-Halbkugeln

47 Seite 47 Blechtopografie, Dressierverfahren. Gegenüberstellung der Dressierverfahren. SBT shot blast texturing EDT electrical discharge texturing LT laser beam texturing EBT electron beam texturing Pretex Preussag texturing Spitzenzahl Wiederholbarkeit Herstellungszeit Regelmäßigkeit technischer Aufwand Kosten pro Walze

49 Seite 49 Blechtopografie. Wirkmechanismen. hydrostatisch wirkende Schmiertaschen hydrodynamisch wirkende Flanken elasto-/plastohydrodynamisch wirkende Stufen Quetschströmungen F F U F U. F,h die P lubricant sheet P P P

50 Seite 50 Blechtopografie. Anforderungen an eine Idealtopografie. Hohe Spitzen Schmale und kleine Spitzen Einen flachen Kernbereich Größeres Leervolumen im unteren Bereich Hohe Anteile abgeschlossener Leerflächen Topografie hoch abgeschlossen Feine Spitzen Hohe Anzahl von Tälern Ungerichtete Strukturen

52 Seite 52 Rauheitskenngrößen. Begriffe. Leere (Materialanteil) Abgeschlossenheit Dichte leer offen weit voll geschlossen dicht

53 Seite 53 Rauheitskenngrößen. Mittenrauwert R a. L 1 R = a z( x) L o dx

54 Seite 54 Rauheitskenngrößen. Materialanteilkurve. R pk Spitzenhöhe Tiefe [µm] 0 2 R k Kernrauhtiefe R vk Riefentiefe Materialanteil [%]

55 Seite 55 Blechtopografie. Aussagekraft von Rauheitskenngrößen. 2D 3D Leere (Materialanteil) 1. Spitzenhöhe 2. Materialanteil 3. Kernrautiefe 4. Leervolumen R pk M r1 R k R pm Dichte 5. Spitzenzahl 6. Talzahl Abgeschlossenheit 7. Geschlossenes Leervol. 8. Anteil geschl. Leerflächen 9. Perkolationstiefe

56 Seite 56 Rauheitskenngrößen. Berechnung von 2D-Spitzenzahlen. 2D-Spitzenzahl, PC = 2 3D-Spitzenzahl, S ds = 48 Tribologisch relevante Spitzenzahl 11? 0,5 mm 0,5 mm

57 Seite 57 Blechtopografie. Aussagekraft von Rauheitskenngrößen. 2D 3D Leere (Materialanteil) 1. Spitzenhöhe 2. Materialanteil 3. Kernrautiefe 4. Leervolumen Dichte 5. Spitzenzahl 6. Talzahl R pk M r1 R k R pm (PC) (S dv ) Abgeschlossenheit 7. Geschlossenes Leervol. 8. Anteil geschl. Leerflächen 9. Perkolationstiefe

58 Seite 58 Rauheitskenngrößen. Berechnung von 3D-Rauheitskenngrößen.

73 Seite 73 Rauheitskenngrößen. Berechnung von 3D-Rauheitskenngrößen. Maximaler geschlossener Leerflächenanteil a clm Geschlossenes Leervolumen V cl Maximale Spitzenzahl n mam Anzahl Schmiertaschen n vcl...

74 Seite 74 Blechtopografie. Aussagekraft von Rauheitskenngrößen. Leere (Materialanteil) 1. Spitzenhöhe 2. Materialanteil 3. Kernrautiefe 4. Leervolumen R pk M r1 R k R pm 2D 3D S pk S r1 S k V vo Dichte 5. Spitzenzahl 6. Talzahl Abgeschlossenheit 7. Geschlossenes Leervol. 8. Anteil geschl. Leerflächen 9. Perkolationstiefe (PC) (S dv ) N mam N vom V cl A clm p

75 Seite 75 Blechtopografie. Klassifizierung von Rauheitskenngrößen D-Messungen oder berechnete Schnitte 3D-Messungen über berechnete Kurven: direkt berechnet: über berechnete Flächen: direkt berechnet: - Tiefe - Volumen - mittlere Rautiefe - Spitzen -... Ra, Rt, Ry PC,... über berechnete Kurven -2D-Abbott -... Rk, Rpk, Rvk,... 2D-Kenngrößen direkt berechnet: - Tiefe - Volumen - mittlere Rautiefe - Spitzen -... St, Sa,Sku, Svr,... über berechnete Kurven -3D-Abbott -... Sk, Spk, Svk,... 3D-Kenngrößen, gleiche Methoden wie bei 2D -3D-Tal u. Spitzenzahlen - Isotropie - Perkolationstiefe -... PC, S ds... - geschlossene Volumina u. Flächen -... Αclm, Vcl, Nmam,... - Fourieranalyse - Spectralanalyse - Autokorrelation -... Str, Sal, echte 3D-Kenngrößen

77 Seite 77 Blechtopografie. Vergleich von Ergebnissen aus Rauheitsmessung und Streifenziehversuch. 2D- Spitzenzahl PC R²=0,28 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Standardabweichung der Reibungszahl über die Ziehgeschwindigkeit

78 Seite 78 Blechtopografie. Vergleich von Ergebnissen aus Rauheitsmessung und Streifenziehversuch. 3D- Spitzenzahl N ma (k) R²=0,77 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Standardabweichung der Reibungszahl über der Ziehgeschwindigkeit

79 Seite 79 Blechtopografie. Vergleich von Ergebnissen aus Rauheitsmessung und Serienfertigung.

80 Seite 80 Blechtopografie. Zusammenfassung. Zur Beschreibung der Oberfläche sind eindeutige Begriffe erforderlich. Das Verständnis der Wirkungsweise / Funktion der Oberfläche ist für die Auswahl geeigneter Kenngrößen unumgänglich. Nur echte 3D-Kenngrößen bringen Vorteile gegenüber 2D-Oberflächenkenngrößen.

81 Seite 81 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.