Lubricant free forming with tailored tribological conditions
Third Party Funds Group - Sub project
Start date : 01.10.2013
End date : 28.11.2019
Extension date: 31.07.2020
Website: https://www.trockenumformen.de/
Overall project details
Overall project
SPP 1676: Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik
Project details
Short description
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Changed ecological and economic situations motivate research into environmentally friendly and efficient manufacturing processes. Forming without lubricant has the potential to meet both requirements by avoiding the usage of environmentally harmful lubricants and shortening the process chain by omitting lubricant application and component cleaning. Within the scope of the research project, an increase in friction and adhesive wear were identified as major challenges. As a result, the components fail due to cracking. Therefore, this project focused on the investigation of measures to meet these challenges. Amorphous carbon coatings, the reduction of roughness and the application of discrete microtextures were considered as potential measures. Hydrogen-containing amorphous carbon coating systems (a‑C:H) fabricated by reactive physical vapor deposition (PVD), plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and PVD/PECVD hybrid techniques, as well as a PVD-generated tetrahedral hydrogen-free amorphous carbon coating (ta‑C) were investigated with respect to their properties and tribological performance Three specific profile requirements – a dopant free carbon network, smooth and defect-free surfaces and a high coating adhesion to substrate – are identified as requirements, in order to prolonger the service life of the coated tools. Moreover, to enable the steering of the material flow the creation of laser based micro textures to tailor the tribology were investigated. Various ultrafast laser based approaches for modification (i.e. smoothing and texturing) were analyzed. To increase the efficiency of the process, several beam shaping approaches based on liquid crystal on silicon spatial light modulators were evaluated providing a homogeneous beam profile to enable a flat and uniform modification. By applying ta‑C and a‑C:H coatings in forming tests, the findings of the laboratory tests were validated and the feasibility of lubricant free deep drawing was proven. In order to benefit from the forming-process-specific advantages, high quantities and therefore high durability of the measures are required. An application-oriented wear test rig has been designed to investigate their durability. By this, it was proven that 3 000 components can be produced from DC04 without wear with both a‑C:H and ta‑C coatings, and thus increasing tool life by a factor of 15 compared to unmodified tools. Even in the case of wear-critical AA5182, 3 000 parts were produced without wear using ta‑C. Within the scope of the project, a fundamental understanding of lubricant free deep drawing processes and measures was created and proof of feasibility in form of a high number of components was achieved.
Scientific Abstract
Bei der Trockenumformung erfolgt aufgrund des fehlenden Schmierstoffes eine intensive Wechselwirkung zwischen Werkstück- und Werkzeugoberfläche. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Realisierung trockener Umformprozesse durch die Entwicklung und den Einsatz neuartiger tribologischer Systeme. Den Herausforderungen der Trockenumformung, wie erhöhter Reibung in Verbindung mit gesteigertem Verschleiß, wird durch maßgeschneiderte, werkzeugseitige Oberflächenmodifikationen begegnet. In der ersten Projektphase wird das schmierstofffreie Tiefziehen einer industrieüblichen Stahlsorte untersucht. Zur Prüfung der übertragbarkeit ermittelter Zusammenhänge auf weitere Werkstoffklassen wird eine Aluminiumlegierung gegenübergestellt. In Referenzversuchen unter Laborbedingungen wird durch die Analyse und Beschreibung der tribologischen Effekte das grundlegende Prozessverständnis für trockene Umformbedingungen geschaffen. Die Versuchsergebnisse dienen gleichzeitig als Eingangswerte für die simulationsbasierte Auslegung des segmentierten Werkzeugs zur Herstellung eines Rechtecknapfes. Ausgehend von der FE-basierten Identifizierung tribologisch relevanter Werkzeugbereiche werden in einem inversen Ansatz Anforderungsprofile für die einzelnen Segmente des Tailored Tool abgeleitet. Die Anforderungen bilden die Zielgrößen für die Entwicklung maßgeschneiderter werkzeugseitiger Oberflächenmodifikationen. Zur Reibungsreduzierung sowie zur Gewährleistung eines ausreichenden Verschleißschutzes im schmierstofffreien Tiefziehprozess wird die Eignung amorpher Kohlenstoffschichtsysteme evaluiert. Da Trockenumformprozesse extreme Verschleißanforderungen an Werkzeugbeschichtungen stellen, wird zur lokalen Erhöhung der Verschleißfestigkeit die laserinduzierte Wärmebehandlung amorpher Kohlenstoffschichten untersucht. Zur gezielten Einstellung des Stoffflusses werden darüber hinaus lokale werkzeugseitige Oberflächenstrukturen entwickelt und mittels Laserablation appliziert. In Laborversuchen erfolgt eine systematische Analyse des resultierenden Reib- und Verschleißverhaltens. Insbesondere werden der Einfluss der Faktoren Werkzeugwerkstoff, Oberflächenbeschichtung und -strukturierung auf das Werkzeugeinsatzverhalten untersucht. Zur Ermittlung der Prozessgrenzen wird zudem die Abhängigkeit des Werkzeugeinsatzverhaltens von den auftretenden Prozessbeanspruchungen quantifiziert. Die abgeleiteten Zusammenhänge zwischen den Prozessbeanspruchungen, den Oberflächenmodifikationen und dem resultierenden Werkzeugeinsatzverhalten werden für die gezielte lokale Anpassung der tribologischen Bedingungen im Napfzugprozess genutzt. Zur Validierung der ermittelten Zusammenhänge wird in dem Tiefziehmodellprozess das Reib- und Verschleißverhalten des segmentierten Werkzeugs für die untersuchten Stahl- und Aluminiumhalbzeuge ermittelt. Die Ergebnisse der ersten Projektphase bilden die Grundlage zur Qualifizierung maßgeschneiderter tribologischer Systeme für Trockenumformprozesse.
