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Tribosystemoptimierung bei der Umformung komplexer Bauteile aus Eisen-Mangan-Stählen

Laufzeit:01.11.2014 – 31.10.2016
Förderung:FOSTA / AiF
Kontakt:blechumformungifum.uni-hannover.de

Motivation:

Eisen-Mangan-Stähle mit TWIP-Effekt (twinning-induced plasticity) zählen zur sogenannten dritten Generation an hochfesten Stählen bzw. zu den AHSS (advanced high strength steel). Es handelt sich hierbei um austenitische Stähle mit einer geringen Stapelfehlerenergie. Daraus folgt, dass Verformungsvorgänge vorzugsweise über Zwillingsbildungen erfolgen und andere Versetzungsbewegungen in der Gitterstruktur behindert werden. Dieser Umstand äußert sich in einer hohen Verfestigung während des Umformens sowie in einer sehr hohen Gleichmaßdehnung. Hinsichtlich des Einsatzes für Karosseriestrukturbauteile ergibt sich somit ein besonderes Potenzial. Komplex gestaltete Bauteile können umformtechnisch hergestellt werden, welche über hohe Dehnungsreserven bei einem hohen Festigkeitsniveau verfügen. Gerade für Crash-relevante Strukturen eröffnen sich bei der Verwendung von Eisen-Mangan-Stählen neue Möglichkeiten.

Zielsetzung:

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, das hohe Formänderungsvermögen von Eisen-Mangan-Stählen mit TWIP-Effekt in Umformprozessen nutzbar und den Anwendern in der Praxis zugänglich zu machen. Durch das Forschungsvorhaben wird eine Erweiterung des Prozessfensters hinsichtlich der Tribologie im Umformprozess angestrebt und damit die Herstellung von hochgradig komplexen Bauteilen, bei gleichzeitig hoher Festigkeit angestrebt. Da Eisen-Mangan-Stähle mit TWIP-Effekt sich während der Umformung signifikant erwärmen, kann im Laufe der Umformung ein Versagen des Tribosystems folgen. Im Fokus des Forschungsvorhabens steht die Erweiterung des Prozessfensters durch Optimierung des Tribosystems. Das Forschungsvorhaben dient der Anpassung und Verbesserung der tribologischen Verhältnisse bei der Umformung von Eisen-Mangan-Stählen mit TWIP-Effekt. Hier stehen die Reibwertermittlung unter Berücksichtigung erhöhter Blechtemperaturen und die Auswirkung auf den Tiefziehprozess im Fokus der Untersuchungen. Dadurch wird ein sicherer Umgang bei der Umformung dieser Stähle in der Praxis gewährleistet und die Verarbeitung interessant.

Arbeitsprogramm:

  • Ermittlung der Werkstofferwärmung im Zugversuch
  • Anpassung der Versuchsstände zur Reibwertermittlung bei Prozesstemperaturen im  Bereich von 20 °C bis 120 °C
  • Betrachtung von Schmierstoffen mit unterschiedlicher Viskosität und Additivierung für die Umformung von Eisen-Mangan-Stahlbleche
  • Übertragung der Versuchsergebnisse auf einen Tiefziehprozess zur Bewertung des Tribosystems und des Optimierungspotenzials durch eine Werkzeugkühlung

 

Die Abbildung 1 zeigt die verwendete Laboranlage zum definierten Auftrag von Schmiermitteln für die Blechumformung. Sie dient zur Beölung von Platinen für Umformversuche sowie für Blechstreifen, welche in Streifenziehversuchen zur Reibwertermittlung verwendet werden. In Abbildung 2 ist eine Falschfarbendarstellung der Oberflächentopografie eines Probeblechs dargestellt.

Untersuchungsergebnisse:

In Flachzugversuchen konnte bei der betrachteten FeMn-Materialcharge eine Erwärmung von über 100 °C ermittelt werden. Für Serienumformprozesse ist folglich von einem nennenswerten Wärmeeintrag in die Werkzeugkomponenten auszugehen. Um diesen Aspekt auch in den Laborversuchen zur Reibwertermittlung zu berücksichtigen, wurden die Versuchsstände auf 60 °C – sowie für exemplarische Betrachtungen auf 90 °C und 120 °C – temperiert. Es wurden u. a. Streifenziehversuche mit flachem Reibkörper sowie Streifenziehversuche mit Umlenkung durchgeführt. Abweichend von einem Referenzwerkstoff, in Form einer verzinkten Stahlgüte, war eine vergleichsweise geringe Abhängigkeit der Reibwerte vom verwendeten Ziehöl (Spotlubricant) festzustellen. Darüber hinaus konnte bei Einsatz einer Polymer-Wachsdispersion mit Festschmierstoffanteil (Festschmierstoff) sehr niedrige Reibwerte ermittelt werden.

In Tiefziehversuchen wurde nachfolgend geprüft, inwiefern bei der FeMn-Materialcharge durch die Schmierstoffauswahl der Versagenseintritt beeinflusst werden kann. Hierzu wurden Hutprofile mittels eines Tiefziehwerkzeugs umformgeformt (Abbildung 3), wobei die Ziehtiefe konstant blieb und die Blechhalterkraft sukzessive erhöht wurde, bis ein Werkstoffversagen in der Hutprofilzarge auftrat (Abbildung 4). Exemplarische Ergebnisse sind in Abbildung 5 gegenübergestellt. Im Rahmen dieser Versuchsreihe wurde auch das Optimierungspotenzial durch eine Werkzeugkühlung beleuchtet. Tendenziell wirken sich Schmierstoffe mit hoher Viskosität, sowie die betrachtete Polymer-Wachsdispersion mit Festschmierstoff, vorteilhaft aus. Ferner zeigt sich unabhängig vom Schmierstoffeinsatz eine Verbesserung durch eine Werkzeugkühlung.

 Anwendungsempfehlung:

Wie für metallische Werkstoffe typisch fällt die Fließspannung mit zunehmender Umformtemperatur geringer aus. Bei der betrachteten FeMn-Materialcharge zeigte sich, dass eine Werkzeugkühlung den Versagenseintritt zu einem höheren Kräfteniveau verschieben kann. Bei komplexen Bauteilen und unter Einwirken hoher Umformkräfte wird daher eine Werkzeug-/Prozesskühlung empfohlen. Bei Umformprozessen, die nur ungekühlt zu realisieren sind, erweisen sich hochviskose Schmierstoffe als vorteilhafter. Hinsichtlich des Umformverhaltens kann eine besondere Empfehlung für die betrachtete Polymer-Wachsdispersion mit Festschmierstoff gegeben werden.

Förderhinweis:

Das IGF-Vorhaben 18423 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. FOSTA, Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf 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.

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