Lubricant free forming with tailored tribological conditions

SPP 1676: Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik

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.