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Trockenumformen niedriglegierter Stahlwerkstoffe durch Vollvorwärtsfließpressen mit selbstschmierender Werkzeugbeschichtung und strukturierten Halbzeugen

 

Antragsteller: Bergs, Bobzin (Aachen)

Werkstoffe: 16MnCr5, 42CrMo4

Methoden: experimentelle Quantifizierung, numerische Modellierung (Vollvorwärtsfließpressen)

Veröffentlichungen SPP1676_BO1979/44-1
Stand November 2019
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Die Kaltmassivumformung ist aufgrund ihrer Energie- und Resourceneffizienz ein bedeutendes Fertigungsverfahren für Großserienfertigung. Um die Kaltmassivumformung prozesssicher durchzuführen, sind Schmierstoffe unabdingbar. Die Verwendung von Schmierstoffen ist jedoch aus ökonomischen und ökologischen Gründen zu hinterfragen. In der Blechumformung konnte eine Substitution von Schmierstoffen durch ein geeignetes Tribosystem bereits erzielt werden. In der Kaltmassivumformung sind die Prozesslasten wie Kontaktnormalspannung und Reibschubspannung höher. Die Reibzustände in der Kaltmassivumformung sind nicht ausreichend untersucht, um gezielt Stellgrößen zu verändern. Das Ziel des Forschungsvorhabens war die erweiterte Modellbildung beim trockenen Vollvorwärtsfließpressen (VVFP) zur Erklärung der tribologischen Wechselwirkungen zwischen einer strukturierten Halbzeugoberfläche und einer örtlich angepassten und zeitlich abhängigen selbstschmierenden PVD-Beschichtung auf Basis des HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) Verfahrens.

Durch eine Strukturierung der Halbzeuge und eine selbstschmierende Werkzeugbeschichtung wurde das Potenzial einer Trockenumformung beim VVFP untersucht.
Mithilfe von Stift-auf-Zylinder Tribometeruntersuchungen erfolgt eine grundlegende Untersuchung des Einflusses der Oberflächenstruktur auf die Reibschubspannung. Die Erkenntnisse wurden auf den Vollvorwärtsfließpressprozess angewendet und erneut validiert. Mithilfe von validierten numerischen FE-Prozesssimulationen erfolgte dann die Abbildung der Reibzustände des Prozesses in einem neuen Ansatz der Reibungsmodellierung.

  • Grundlagenuntersuchungen der Einflüsse von Oberflächenstrukturen und selbstschmierenden Werkzeugbeschichtungen auf den Reibzustand.
  • Ermittlung der Ursache-Wirkungszusammenhänge beim trockenen VVFP

Das Ziel bestand in der experimentellen Quantifizierung und numerischen Modellierung der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen einer strukturierten Halbzeug-oberfläche und einer VVFP-Matrize mit einer selbstschmierenden (Cr,Al)N+XS2 (X=Mo, W) Beschichtung hinsichtlich der Reibschubspannung. Dies erlaubte die erstmalige Erforschung der trockenen Prozessbedingungen unter Berücksichtigung eines mehrachsigen Spannungszustandes im Halbzeug beim VVFP. Darüber hinaus die analytische Beschreibung des Einflusses der Halbzeugtopografie, der Kontaktnormalspannung, der Relativgeschwindigkeit und der Temperatur auf den Coulombschen Reibungsanteil beim VVFP.

 

Dry forming of low alloy steels by direct impact extrusion using a self-lubricating tool coating and structured workpieces

Due to its energy and resource efficiency, cold massive forming is an important manufacturing process for mass production. Lubricants are indispensable in order to carry out cold solid forming reliably. However, the use of lubricants has to be questioned for economic and ecological reasons. In sheet metal forming a substitution of lubricants by a suitable tribosystem could already be achieved. In cold massive forming, the process loads such as normal contact stress and friction shear stress are higher. The frictional states in cold massive forming have not been sufficiently investigated to specifically change manipulated variables. The aim of the research project was the extended modeling of dry full-forward extrusion (VVFP) to explain the tribological interactions between a structured semi-finished surface and a localized and time-dependent self-lubricating PVD coating based on HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering).

By structuring the semi-finished products and a self-lubricating tool coating, the potential of dry forming in VVFP was investigated.

Pen-on-cylinder tribometer investigations are used to fundamentally investigate the influence of the surface structure on the friction shear stress. The findings were applied to the full-forward extrusion process and re-validated. Using validated numerical FE process simulations, the friction states of the process were then modeled in a new approach to friction modeling.

  • Basic investigations of the influences of surface structures and self-lubricating tool coatings on the frictional state.
  • Determination of cause-effect relationships in dry VVFP

Our aim was the experimental quantification and numerical modeling of the cause-and-effect relationships between a structured semi-finished surface and a VVFP matrix with a self-lubricating (Cr, Al) N + XS2 (X = Mo, W) coating in terms of frictional shear stress. This allowed the first-time investigation of the dry process conditions, taking into account a multiaxial stress state in the semifinished product in the VVFP. In addition, the analytical description of the influence of semifinished product topography, the contact normal stress, the relative velocity and the temperature on the Coulomb friction component in VVFP.

 

Name
Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
Position
Projektleitung / project management
Name
M. Sc. Dennis C. Hoffmann
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 241 809 59 55
Name
Prof. Dr.-Ing. Thomas Bergs
Position
Projektleitung / project management
Name
M.Sc. Rafael Hild
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 241 80 28213
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