Schwerpunktprogramm Trockenumformen - Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik 2013-2019

Schmierstofffreies Tiefziehen von Aluminiumblechen
für den Karosseriebau

Antragsteller: Müller, Schubert (Chemnitz), Vollertsen (Bremen)

Werkstoffe: Aluminiumbleche

Methoden: CVD-Beschichtung, Funkenerosion, Streifenziehversuche, Fräsen, Ultraschallfräsen, Tribometertests

Publikationen
Stand November 2019 (Projekt 2013-2017)
SPP1676_Publications_Müller_Schubert_Vol[...]
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Final Report
Abschlussbericht (in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_262-301_Prieske.pdf
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Schmierstoffe werden beim Umformen eingesetzt, um eine Adhäsion zwischen Werkstück und Werkzeug zu vermeiden sowie Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Aus dem hohen Verbrauch von Schmiermitteln resultieren jedoch erhebliche Umweltbelastungen. Ziel des Gemeinschafts­projekts ist die Realisierung des Trockenumformens von Aluminiumlegierungen beim Tiefziehen durch eine lokale Erhöhung der Werkzeugbelastbarkeit sowie eine Reduzierung von Reibung und Adhäsion bei der Trockenumformung mittels CVD-Diamantschichten. Im Zusammenwirken mit einer geeigneten Oberflächenmikrostrukturierung sollen sie das trockene Tiefziehen von Aluminiumblechen in dem Maße ermöglichen, dass die Prozessgrenzen auf dem Niveau der schmierstoffbasierten Umformung liegen.

Foto s/w: Prieske2017, EDM: TU Chemnitz

Bisher wurde eine Analyse zur Bestimmung der im Tiefziehprozess stark beanspruchten Bereiche auf der Werkzeugoberfläche durchgeführt. Streifenziehversuche mit strukturierten und a‑C:H:Si‑beschichteten Ziehwerkzeugen haben gezeigt, dass der Gleitreibwert bei der trockenen Umformung durch eine Reduzierung des Traganteils abgesenkt werden kann. Jedoch ist das Niveau der ermittelten Gleitreibwerte infolge massiver Aluminiumanhaftungen im Vergleich zur geschmierten Umformung deutlich zu hoch. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass eine Dotierung der CVD‑Diamantschicht mit Si-Atomen die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung erhöht, dass eine funkenerosive Nachbearbeitung möglich wird. Auch wurde der Projektansatz mit der Durchführung von Tribometerversuchen überprüft und bestätigt. In einem oszillierenden Kugel-Platte-Versuch mit mechanisch polierten CVD-Diamantschichten gegen die Referenz-Aluminiumlegierung konnten Gleitreibwerte ähnlich jener in geschmierten Systemen bei vernachlässigbarem Verschleiß erreicht werden.

Im Rahmen der zweiten Förderphase sollen die Eigenspannungen innerhalb einer CVD‑Diamantschicht auf Stahl analysiert werden, da sie sowohl beim Abkühlprozess nach der Beschichtung als auch unter zusätzlicher Belastung beim Umformprozess zu einem Abplatzen der Schicht führen können. Dafür gilt es zu untersuchen, inwieweit der Eigenspannungszustand und die Haftfestigkeit der CVD-Diamantschicht durch den Temperaturverlauf während des Beschichtungsprozesses, einen gradierten Übergang von der Diffusionsbarriere zur CVD-Diamantschicht und eine Feingestaltung der Substratoberfläche beeinflusst werden. Eine definierte Substratoberflächenfeingestalt soll dabei unter anderem durch schwingungsüberlagertes Fräsen im Ultraschallbereich erzielt werden.

Weiterhin sind die Mikrostrukturierung der wirksamen Flächen eines Umformwerkzeugs sowie die Glättung der CVD‑Diamantschicht unter Einstellung definierter Rauheitswerte mittels funkenerosiver Bearbeitung vorgesehen, um den Materialfluss des Werkstücks gezielt zu steuern. Die tribologische Wirksamkeit der neu entwickelten Werkzeugbeschichtungen und ‑strukturierungen wird anschließend durch umformtechnische Grundlagenversuche unter Berücksichtigung verschiedener Belastungszustände näher untersucht.