Trockenscherschneiden von metallischen Schichtverbundwerkstoffen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Erman Tekkaya, M. Sc. Florian Gutknecht, Frank Steinbach, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Technische Universität Dortmund - Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, M. Sc. Ferdinand Neumayer, M. Sc. Tobias Hammer, M. Sc. Wan-Gi Cha, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München - Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, M. Sc. David Übelacker, M. Sc. Phillipp Stein, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt
222 Seiten - 98,00 EUR (sw, 168 teils farbige Abb., 32 Tab.)
ISBN 978-3-86776-529-9
Zusammenfassung
Hybride Schichtverbundwerkstoffe zeichnen sich durch ein breites Spektrum an Funktionsei-genschaften aus, das zudem an hochqualifizierte Beanspruchungsprofile neuer Produkte angepasst werden kann. Sie sind deshalb prädestiniert für einen Einsatz im Leichtbau aber auch in vielen anderen Anwendungsgebieten. Bislang fehlen jedoch serientaugliche Verar-beitungsverfahren für ihre Verwendung in industriellen Massenprodukten.
Im Rahmen dieses AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhabens ist daher der für die industrielle Ferti-gung sehr wichtige Scherschneidprozess wissenschaftlich untersucht und für das Schneiden von mehrschichtigen, flächigen Schichtverbunden aus Metall und Polymeren technologisch weiterentwickelt worden.
Besonderes Augenmerk wurde auf die Vermeidung von Delamina-tion, Kernstauchung oder Reißen der Deckschichten während des Schneidens gelegt, damit es nicht zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Verbunds kommt. Um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Polymerschichten und den üblicherweise eingesetzten Schmierstoffen als auch den zur Entfernung eingesetzten Reinigungsmitteln auszuschließen, wurde auf additive prozessverbessernde Schmierstoffe verzichtet. Ziel des Vorhabens war damit die Erarbeitung von Ansätzen zur Prozess- und Werkzeugauslegung, auf deren Grundlage das Trocken-Scherschneiden von differenten Schichtverbundwerkstoffen pro-zesssicher und industriell einsatzfähig gestaltet werden kann.
Zur Lösung der Gesamtproblematik beschäftigten sich zwei grundlagenorientierte DFG-Projekte (DFG I + II) und drei anwendungsorientierte AiF-Teilprojekte (AiF 1 – 3) jeweils mit unterschiedlichen Aspekten und technologischen Fragestellungen zum trockenen Scher-schneiden als auch mit verschiedenen Schichtverbundarten.
In allen Teilprojekten wurden zunächst umfangreiche Parameterstudien zur Erweiterung des Prozessverständnisses hinsichtlich der Beeinflussung der Schneidkräfte und der Schnittflä-chenqualitäten durchgeführt. Die Untersuchungen in AiF 1 zeigten u.a., dass die Rückzugs-kräfte durch den Einsatz von Schmierstoff verringert werden können, aber sowohl die Schneidkraft als auch die Schnittkantenqualität nicht beeinflusst werden. Das bedeutet, dass bei einem Schmierstoffverzicht weiterhin die gleiche Schnittkantenqualität zu erwarten ist. In AiF 3 konnte nachgewiesen werden, dass die Halbzeugtemperatur und der Schneidspalt den größten Einfluss auf die Kanteneinzugshöhe besitzen. Insgesamt zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Schneidergebnisses vom jeweiligen Verbundwerkstoff.
Für eine objektive Bewertung der Schnittflächen von Schichtverbünden nach optischen und sonstigen funktionalen Anforderungen wurden neue Schnittflächenkenngrößen in Ergänzung zur VDI-Richtlinie 2906-2 definiert. Zur Analyse der Schnittflächen sind einige gängige Ver-fahren in AiF 2 an die Besonderheiten von beschichteten Blechen angepasst worden. Damit ist zum einen eine einfache Untersuchung der Korrosionsneigung der offenen Schnittkanten möglich. Zum anderen können optimale werkstoffindividuelle Parametereinstellungen (Schneidparameter, Werkzeugeinstellungen) mit geringem Aufwand bestimmt werden. Für die Analyse der Schnittflächen bei Sandwich-Blechen wurden in AiF 3 mehrere Prüfprinzipien zur zerstörungsfreien Delaminationsdetektion qualifiziert.
Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungsarbeiten war die Analyse der Verschleißmecha-nismen in Abhängigkeit von der Werkstoffart und der Prozessführung. Die tribo-chemischen Verschleißanteile und deren Wirkmechanismen wurden mittels eines eigens hierfür in DFG I entwickelten Versuchsstandes mit gasdichter Umhausung ermittelt. Zusätzlich führten alle Teilprojekte Dauerversuche zur Bestimmung des Verschleißverhaltens der Schneidwerkzeu-ge unter verschiedensten Randbedingungen durch. Erwartungsgemäß erwies sich der Werkzeugverschleiß als stark abhängig vom Schmierungszustand. Allerdings bewirkt schon die Grundbeölung der Bleche (Lieferzustand) eine merkliche Reduktion des Verschleißes an den Schneidwerkzeugen. Beim Schneiden vollständig gereinigter, trockener Bleche wurde eine starke Adhäsionsneigung am Schneidstempel detektiert.
Durch geeignete Werkzeugbe-schichtungen – wie beispielsweise einer neuartigen taC-Beschichtung – können Kaltauf-schweißungen an der Stempelkante verhindert und eine deutliche Standzeiterhöhung der Schneidwerkzeuge erreicht werden.
Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden in den DFG-Teilprojekten Model-lansätze zur robusten Auslegung und Optimierung des Scherschneidprozesses sowie der Werkzeuge erstellt.
DFG I entwickelte eine gekoppelte Schneid- und Verschleißsimulation. Die Simulation des Schneidprozesses basiert auf der Abbildung der Werkstofftrennung der Einzelkomponenten unter Scherung durch gekoppelte, kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle. Die numerisch berechneten Lastkollektive (Kontaktdruck und Relativgeschwindigkeit) gehen als Eingabedaten in die phänomenologische Verschleißsimulation, die auf Basis des Archard Mo-dells sowohl den abrasiven als auch tribochemischen Verschleißanteil vorhersagen kann. Wie Vergleiche mit experimentellen Untersuchungen der AiF-Projekte gezeigt haben, sind mit dem Softwaretool gute qualitative Vorhersagen der Stempelkraft für komplexe Werkstoffverbunde möglich. Eine weitere Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit kann durch eine aufwendigere Charakterisierung und Modellierung der Polymerwerkstoffe erreicht werden. Die Vorhersage des Softwaretools für den Werkzeugkantenverschleiß zeigte eine gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnissen für monolithische Bleche.
Für das Scherschneiden von Sandwich-Blechen wurde zusätzlich ein parametrisiertes analy-tisches Modell in DFG II entwickelt, mit dem die zu erwartenden Prozesskräfte und insbe-sondere ihr zeitlicher Verlauf vorhergesagt werden können. Ebenso kann die entwickelte Modellvorstellung dazu genutzt werden, Werkstoffkombinationen für Sandwich-Bleche auf ihre Schneidbarkeit hin zu untersuchen.
Auf der Grundlage der experimentellen und simulativen Ergebnisse erfolgte schließlich eine Optimierung und Anpassung der Werkzeuge und der Prozessführung, so dass ein optimales Schneidergebnis und ein möglichst geringer Werkzeugverschleiß beim trockenen Scher-schneiden der jeweils betrachteten Schichtverbundart erreicht werden. Als Qualitätskriterien wurden u.a. die Schnittgradhöhe und das Delaminationsverhalten des Verbunds betrachtet. Bei beschichteten Blechen ist zudem ein Überzug der Beschichtung über die Schnittfläche erstrebenswert, um das Halbzeug korrosionsresistenter zu machen. Bei Sandwich-Blechen muss eine Quetschung oder ein Herausziehen des weichen Kernmaterials verhindert werden.
Es zeigte sich, dass bei Sandwich-Blechen eine optimale Schnittflächenausbildung durch das in DFG II entwickelte erweiterte Konterschneiden mit der Überlagerung von zusätzlichen Druckspannungen im Scherspalt erzielt werden kann.
Im Hinblick auf eine seriennahe Weiterentwicklung der Konzepte wurden die Forschungser-gebnisse mit Abschluss des AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhabens in Richtlinien und Methoden zur robusten Auslegung des trockenen Scherschneidprozesses für hybride Schichtverbundwerkstoffe zusammengefasst.
Die im Rahmen der Forschungstätigkeiten gewonnenen Erkenntnisse weisen einen hohen innovativen Beitrag auf, da erstmals das trockene Scherschneiden von verschiedenen metal-lischen Schichtverbünden systematisch untersucht wurde. Die Projektergebnisse bieten eine fundierte Grundlage, um in nachfolgenden Projekten die Einführung weiterer Schichtverbün-de in industriell hergestellte Massenprodukte zu forcieren.
Die IGF-Vorhaben des AiF/DFG-Clustgers, IGF-Projekt Nr. 17791N, 17792N, 17793N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) und der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 478 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich. |  |
Summary
Though the text is in German we offer an English Translation of the Summary, Table of Content, Lists of Figures and Tables.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Table of Content
List of Figures
List of Tables
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungen
Indizes...
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung des AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhabens
1.3 Struktur und Vorgehensweise
1.4 Beteiligte des AiF/DFG-Gemeinschaftsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Metallische Schichtverbundwerkstoffe
2.1.1 Beschichtete Bleche
2.1.2 Sandwich-Bleche
2.2 Scherschneiden
2.3 Schneiden von metallischen Schichtverbundwerkstoffen
2.3.1 Bandbeschichtete Bleche
2.3.2 Sandwich-Bleche
2.4 Zerstörungsfreie Delaminationsdetektion
2.4.1 Ultraschallprüfung
2.4.2 Thermografieprüfung
2.4.3 Vibrometrieprüfung
2.5 Tribologie und Verschleiß
2.6 Beschichtungen
2.7 Literaturverzeichnis
3 Teilprojekt DFG I „Softwaretool zur Prozessauslegung"
3.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Teilprojekts
3.2 Entwicklung der durchgeführten Arbeiten
3.2.1 Auswahl der zu untersuchenden Werkstoffe
3.2.2 Experimentelle Untersuchung des tribochemischen Verschleißes
3.2.3 Modellierung des Trocken-Scherschneidprozesses
3.2.4 Verschleißmodell
3.2.5 Kompabilität zwischen den Programmen
3.2.6 Stabilität und Robustheit der Verschleißberechnung
3.3 Darstellung der erreichten Ergebnisse
3.3.1 Experimentelle Ergebnisse (AP2 und AP4)
3.3.1.1 Werkzeugkonstruktion
3.3.1.2 Experimentelle Verschleißuntersuchungen
3.3.2 Simulation Scherschneiden (AP1, AP3 und AP5)
3.3.2.1 Charakterisierung und Modellierung
3.3.2.2 Simulation Lochen – monolithische Bleche
3.3.2.3 Simulation Lochen – Sandwichbleche
3.3.3 Simulation Verschleiß (AP6 bis AP8)
3.4 Stellungsnahme
3.5 Zusammenfassung
3.6 Literaturverzeichnis
4 Teilprojekt DFG II „Intelligente Werkzeuge"
4.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung des Teilprojekts
4.1.1 Ausgangsfragen
4.1.2 Zielsetzung..
4.2 Entwicklung der durchgeführten Arbeiten
4.2.1 Erstellen eines parametrisierten Verbundwerkstoffmodells
4.2.2 Werkzeugentwicklung und Konstruktion
4.2.3 Parameterstudie für das konventionelle Konterschneiden
4.2.4 Parameterstudie für das erweiterte Konterschneiden
4.2.5 Validierung und Berichterstattung
4.3 Darstellung der erreichten Ergebnisse
4.3.1 Grundlegende Untersuchungen zum Scherschneiden von Sandwichblechen
4.3.2 Konterschneiden und erweitertes Konterschneiden von Sandwichblechen
4.3.3 Untersuchungen zum Kraftbedarf und Erstellung eines analytischen Modells
4.4 Stellungnahme
4.5 Zusammenfassung
4.6 Literaturverzeichnis
5 Teilprojekt AiF 1 „Metallwerkstoffe und Polymere"
5.1 Zielsetzung und Vorgehensweise in dem Teilprojekt
5.2 Untersuchte Werkstoffe
5.2.1 Blechwerkstoffe
5.2.2 Grundbeölungen
5.2.3 Werkzeugwerkstoff
5.3 Versuchsaufbau
5.3.1 Kleinwerkzeug für Zugprüfmaschine
5.3.2 Industrienahes Schneidwerkzeug für Umformpressen
5.3.3 TruPunch-Stanzautomat für Verschleißuntersuchungen
5.4 Untersuchung der Schneid- und Rückzugskräfte
5.4.1 Versuchsdurchführung
5.4.2 Einfluss unterschiedlicher Viskosität
5.4.3 Vergleich der Schneidkräfte für Blechwerkstoffe
5.4.4 Vergleich der Rückzugskräfte für Blechwerkstoffe
5.4.5 Schneid- und Rückzugskräfte für Polymerwerkstoffe
5.4.6 Geschwindigkeitseinfluss
5.5 Untersuchung der Schnittflächenqualitäten
5.6 Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß
5.6.1 Versuchsdurchführung
5.6.2 Verschleiß beim Schneiden des Blechwerkstoffs HC300LA
5.6.2.1 Schneidspalteinfluss
5.6.2.2 Einfluss des Schmierungszustands
5.6.3 Verschleiß beim Schneiden des Blechwerkstoffs DP1180HY
5.6.4 Verschleiß beim Schneiden des Blechwerkstoffs EN AW-6016
5.7 Zusammenfassung
5.8 Literaturverzeichnis
6 Teilprojekt AiF 2 „Beschichtete Bleche"
6.1 Zielsetzung und Vorgehensweise des Teilprojekts
6.2 Blechwerkstoffe
6.3 Maschinen, Werkzeuge und Auswertemethoden
6.3.1 Maschinen
6.3.1.1 Universalprüfmaschine
6.3.1.2 Umformmaschine
6.3.2 Werkzeuge..
6.3.2.1 Lochwerkzeug
6.3.2.2 Abschneidwerkzeug
6.3.3 Auswertemethoden
6.3.3.1 Digitalmikroskop
6.3.3.2 Tastschnittverfahren
6.3.3.3 Schliffbildererstellung
6.3.3.4 Salzsprühnebelprüfung
6.3.3.5 Wechseltest nach VDA 233-102
6.3.3.6 Kathodische Delamination
6.4 Versuchsplanung, Durchführung und Ergebnisse
6.4.1 Prozessparameteranalyse Lochen
6.4.1.1 Versuchsplanung
6.4.1.2 Aktivelemente für die Prozessparameteranalyse Lochen
6.4.1.3 Versuchsdurchführung
6.4.1.4 Ergebnisse
6.4.2 Prozessparameteranalyse Abschneiden
6.4.2.1 Versuchsplanung
6.4.2.2 Aktivelemente für das Abschneiden
6.4.2.3 Versuchsdurchführung
6.4.2.4 Ergebnisse
6.4.3 Gestaltung von Funktionsflächen
6.4.3.1 Versuchsplanung
6.4.3.2 Aktivelemente für Gestaltung von Funktionsflächen
6.4.3.3 Versuchsdurchführung
6.4.3.4 Ergebnisse
6.4.4 Entwicklungsansätze für Schnelltests
6.4.4.1 Versuchsplanung
6.4.4.2 Aktivelemente für die Entwicklung von Schnelltests
6.4.4.3 Versuchsdurchführung
6.4.4.4 Ergebnisse
6.5 Richtlinien
6.6 Verschleiß
6.7 Zusammenfassung
6.8 Literaturverzeichnis
7 Teilprojekt AiF 3 „Sandwichbleche"
7.1 Motivation und Zielsetzung des Teilprojekts
7.1.1 Motivation
7.1.2 Angestrebte Forschungsergebnisse
7.1.3 Vorgehensweise innerhalb des Teilprojektes
7.2 Versuchsmaterialien und Werkzeuge
7.2.1 Schichtverbünde
7.2.2 Versuchswerkzeuge
7.2.2.1 Konventionelles Scherschneidwerkzeug
7.2.2.2 Konter-Scherschneidwerkzeug
7.2.3 Schneidaktivelemente
7.2.4 Stempelbeschichtungen
7.3 Zerstörungsfreie Delaminationsprüfung
7.3.1 Probenpräparation
7.3.1.1 Fehlergeometrie – bildgebende Verfahren
7.3.1.2 Fehlergeometrie – Vibrometrieprüfung
7.3.2 Ultraschallprüfung
7.3.3 Thermografieprüfung
7.3.3.1 Experimentelle Untersuchung
7.3.3.2 Numerische Abbildung der Thermografieprüfung
7.3.4 Vibrometrieprüfung
7.3.5 Zusatz – Computertomographie
7.3.6 Fazit – Zerstörungsfreie Delaminationsprüfung
7.4 Prozessoptimierung – Trocken-Scherschneiden
7.4.1 Versuchsplan
7.4.2 Auswertemethoden
7.4.3 Ergebnisse
7.4.3.1 Werkstoff
7.4.3.2 Schneidspalt
7.4.3.3 Stempeldurchmesser
7.4.3.4 Schnittkontur
7.4.3.5 Niederhalter
7.4.3.6 Schneidgeschwindigkeit
7.4.4 Verschleißversuche
7.4.4.1 Versuchsdurchführung
7.4.4.2 Ergebnisse – Verschleißversuche
7.4.5 Fazit – Prozessoptimierung – Trocken-Scherschneiden
7.5 Zusammenfassung
7.6 Ausblick
7.7 Literaturverzeichnis
8 Publikationen aus dem AiF/DFG-Gemeinschaftsprojekt
8.1 Veröffentlichungen während der Projektlaufzeit
8.2 Veröffentlichungen nach der Projektlaufzeit
