Tribologische Optimierung von Schneidstempeln durch Mikrostrukturierung mittels maschinellem Oberflächenhämmern
Verfasser:
M. Sc. Philipp Schumann, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt
146 Seiten - 97,00 EUR (sw, 78 teils farbige Abb., 17 Tab.)
ISBN 978-3-86776-675-3
Zusammenfassung
Dieser Abschlussbericht dient der Beschreibung der Vorgehensweise zur gezielten Strukturierung von Stempelmantelflächen durch maschinelles Oberflächenhämmern (MOH). In anderen Forschungsarbeiten konnte bereits nachgewiesen werden, dass das Einbringen von Schmierstofftaschen im Mikrometerbereich zu einer Verbesserung der Reibungs- und Verschleißeigenschaften beitragen kann.
Durch dieses Projekt sollte deshalb ein Vorgehen abgeleitet werden, welches die Standzeit von Schneidstempeln erhöht und eine Reduktion des eingesetzten Schmierstoffs durch Mikrostrukturierung der Mantelfläche ermöglicht. Es wird das Ziel verfolgt, durch deterministische Mikrostrukturierung die Reib- und Verschleißeigenschaften von Scherschneidstempeln zu verbessern und somit den Prozess nachhaltiger und effizienter zu gestalten.
Im Rahmen dieses Projekts wurden zunächst die Randbedingungen des Scherschneid-prozesses analysiert und reibsensitive tribologische Phasen ermittelt. Im Anschluss erfolgte die Charakterisierung des betrachteten MOH-Systems und die Ableitung erster Handlungsrichtlinien zu Bearbeitungsstrategien.
Im nächsten Schritt konnte eine Strukturierungsanlage aufgebaut werden, die die vollautomatisierte Strukturierung von rotationssymmetrischen Schneidstempeln erlaubt. Eine Tribometerstudie erlaubte es unterschiedliche Strukturierungsparameter zu analysieren und Handlungsrichtlinien abzuleiten. Im letzten Schritt erfolgte die Durchführung einer umfangreichen Parameterstudie zu strukturierten Schneidstempeln und deren Einsatzpotenzialen. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch gezielte Strukturierung von Stempelmantelflächen die Einsatzdauer dieser signifikant erhöhen lässt und insbesondere adhäsiver Verschleiß reduziert werden kann.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Tribologische Optimierung von Schneidstempeln durch Mikrostrukturierung mittels maschinellem Oberflächenhämmern" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21560N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 606 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The purpose of this report is to describe the procedure for the targeted structuring of punch shell surfaces by machine surface hammering (MOH). In previous research work, it has already been demonstrated that the introduction of lubricant pockets in the micrometer range can contribute to an improvement in friction and wear properties.
The aim of this project was therefore to develop a method of increasing the service life of cutting punches and reducing the amount of lubricant used by microstructuring the surface. The aim is to improve the friction and wear properties of shearing punches by deterministic microstructuring and thus to make the process more sustainable and efficient.
In this project, the boundary conditions of the shear cutting process were first analyzed and friction-sensitive tribological phases were determined.
Subsequently, the MOH system considered in this work was characterized and initial guidelines for machining strategies were derived. In the next step, a structuring system was set up that allows the fully automated structuring of rotationally symmetrical cutting punches. Subsequently, different structuring parameters were analyzed on the basis of a tribometer study and guidelines for action were derived. In the final step, a comprehensive parameter study was carried out on structured piercing punches and their application potential.
It was shown that the service life of punches can be significantly increased and, in particular, adhesive wear can be reduced through the
targeted structuring of punch shell surfaces.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Formelverzeichnis
1 Einleitung
2 Ausgangssituation und Motivation
3 Stand der Technik
3.1 Scherschneiden
3.1.1 Prozessbeschreibung
3.1.2 Formen des Stempelverschleißes
3.1.3 Schnittflächenqualität
3.2 Maschinelles Oberflächenhämmern
3.2.1 Elektromechanisches Oberflächenhämmern
3.2.2 Wirkprinzipien des maschinellen Oberflächenhämmerns
3.2.3 Prozessparameter maschinelles Oberflächenhämmern
3.3 Tribologie in der Blechumformung
3.3.1 Tribologisches System
3.3.2 Grundlagen der Reibung
3.3.3 Grundlage des Verschleißes
3.3.4 Tribologische Modellversuche der Blechumformung
3.4 Technische Oberflächen
3.4.1 Aufbau technischer Oberflächen
3.4.2 Gestaltabweichungen und Oberflächenanalyse
3.5 Mikrostrukturierung von Oberflächen
3.5.1 Geometrische Beschreibung von Mikrostrukturen
3.5.2 Tribologische Modifikation durch Mikrostrukturierung
3.6 Zusammenfassung des Kapitels
4 Motivation und Zielsetzung
4.1 Vorgehensweise
4.2 Aufbau des Abschlussberichts
5 Analyse des Scherschneidprozesses
5.1 Aufbau des Simulationsmodells
5.1.1 Geometrischer Aufbau
5.1.2 Numerische Diskretisierung
5.1.3 Material- und Schädigungsmodell
5.2 Validierung des Modells
5.2.1 Versuchsdurchführung
5.2.2 Abgleich Simulation
5.2.3 Analyse der Klemmkräfte
5.2.4 Schmierstoffeinfluss auf den Stanzprozess
5.3 Zusammenfassung des Kapitels
6 Prozessfenster maschinelles Oberflächenhämmern
6.1 Charakterisierung E-MOH
6.1.1 Fallversuche
6.1.2 Bestimmung der Aufprallenergien
6.2 Simulative Betrachtung MOH
6.2.1 Materialcharakterisierung
6.2.2 Implementierung Simulationsmodell MOH
6.2.3 Analyse zu unterschiedlichen Bearbeitungsstrategien
6.3 Zusammenfassung des Kapitels
7 Strukturierung von Mantelflächen
7.1 Konstruktiver Aufbau des Strukturierungszentrums
7.2 Steuerungstechnische Auslegung der Anlage
7.2.1 Implementierung der Drehachse
7.2.2 Rundlaufgenauigkeit
7.2.3 Synchronisation der Vorschubgeschwindigkeiten
7.3 Bearbeitungsvorgehen
7.3.1 Prozessfenster Strukturierungszentrum
7.3.2 Bewertung der Genauigkeit
7.4 Strukturierung von Probenkörpern
7.4.1 Fertigung von Hammerköpfen mit Mikrospitze
7.4.2 Strukturierungsergebnisse
7.4.3 Beurteilung der Mikrospitzen Lebensdauer
8 Tribologisches Eigenschaftspotenzial von Oberflächenstrukturen
8.1 Betrachtetes tribologisches System
8.2 Strukturierung der Reibbacken
8.2.1 Strukturierung durch NSL
8.2.2 Strukturierung durch MOH
8.3 Streifenziehversuch Mikrostrukturierte Schneidstempel
8.3.1 Versuchsablauf
8.3.2 Versuchsergebnisse und Diskussion
8.4 Zusammenfassung des Kapitels
9 Erprobung strukturierter Schneidstempel
9.1 Strukturierung industrieller Schneidstempel
9.1.1 Externe Fertigung von Mikrospitzen
9.1.2 Bearbeitung der Mantelfläche
9.2 Erprobung der Schneidstempel
9.2.1 Variation der Blechmaterialien
9.2.2 Veränderung des Schmierzustands
9.2.3 Verschleißsensitiver Versuch
9.3 Zusammenfassung des Kapitels
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis
