Aufbau und Charakterisierung von aerostatischen Schmiersystemen für das Tiefziehen

Abstract

In der Blechumformung besteht derzeit ein verstärktes Interesse an der Reduktion bzw. Vermeidung von mineralölbasierten Schmierstoffen. Neben ökonomischen Faktoren liegt das Anliegen zum Verzicht auf mineralölbasierte Schmierstoffe vor allem in ökologischen Aspekten begründet. Ein vollständig neuer Forschungsansatz für das Trockenumformen stellt die Anwendung von aerostatischen Schmiersystemen für das Tiefziehen dar. Mit dieser Arbeit wurde nun wissenschaftlich untersucht, ob sich aerostatische Schmiersysteme aus technischer Sicht für das schmierstofffreie Tiefziehen eignen. Um diese Fragestellung ganzheitlich beantworten zu können, wurde zunächst analysiert, welche Reibungsmechanismen in einem aerostatischen Schmiersystem beim Tiefziehen wirken und welche Faktoren die Reibungskräfte beeinflussen. Als geeigneter Zwischenstoff für die aerostatische Schmierung wurden gasförmiger Stickstoff und flüssiges Kohlendioxid ausgewählt. Mithilfe eines induktiven Forschungsansatzes und empirischen Grundlagenversuchen konnten Annahmen über die wirkenden Einflussfaktoren auf das Tribo-System mit aerostatischer Schmierung aufgestellt werden. Diese Annahmen wurden im Folgenden erweitert untersucht, indem der Aggregatzustand in der Wirkfuge mit einem neu entwickelten Prüfstand mit optischer Zugänglichkeit zur Reibungszone untersucht sowie Temperaturmessungen in der Kontaktzone, Spalthöhenmessungen, Streifenziehversuche mit gasförmigem Kohlendioxid und umfangreiche Strömungssimulationen durchgeführt wurden. Es zeigte sich, dass das Druckniveau des Zwischenstoffes in der Wirkfuge zwischen den Kontaktpartnern maßgeblich durch die Gestaltung der Mikrodüsen und des Einspeisedrucks beeinflusst wird. Das vorliegende Druckniveau des Zwischenstoffes beeinflusst wiederum die reale Kontaktfläche zwischen den Reibungspartnern und das lokale Belastungskollektiv. Zudem tritt bei der aerostatischen Schmierung ein verstärkter Einfluss der chemischen Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktpartner auf. Bei der Verwendung von flüssigem Kohlendioxid bildet sich zudem eine flüssige Zwischenschicht mit darin befindlichen Trockeneispartikeln. Indem ein erstes empirisches Reibungsmodell für die aerostatische Schmierung in einem Tiefziehprozess aufgestellt wurde, konnten die Annahmen zu den Einflussfaktoren auf die Reibung validiert und die Reibungszahl im Streifenziehversuch für ein ausgewähltes Tribo-System relativ genau prognostiziert werden. Zudem konnten mit diesen Untersuchungen die optimalen Düsengeometrien zur Erzielung minimaler Reibungskräfte bestimmt werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Tiefziehwerkzeug mit aerostatischer Schmierung für das Tiefziehen eines Rechtecknapfes aufgebaut und damit experimentell die Einsatzmöglichkeiten bzw. Grenzen von aerostatischen Schmiersystemen beim Tiefziehen bestimmt. Mit diesem Werkzeug konnte erstmalig ein Trockenumformprozess mit aerostatischer Schmierung ohne mineralölhaltigen Schmierstoff erfolgreich realisiert werden. Dabei konnten die Ziehkräfte stark reduziert sowie das Prozessfenster für das Tiefziehen und die maximale Ziehtiefe gegenüber der Verwendung einer konventionellen Schmierung deutlich gesteigert werden. Als mögliche Einsatzgebiete für die aerostatische Schmierung ergeben sich Tiefziehoperationen von gängigen Tiefziehstählen, bei denen aus ökologischen oder anwendungsspezifischen Gründen auf mineralölbasierte Schmierstoffe verzichtet werden soll. Neben dem Aspekt der Trockenumformung und den extrem niedrigen Reibungszahlen bietet die aerostatische Schmierung die Möglichkeit, die Reibungskraft während des Tiefziehprozesses in ihrer zeitlichen und örtlichen Wirkung spezifisch anzupassen. Zwar eignet sich die aerostatische Schmierung nicht für alle Anwendungen in der Blechumformung, da beim Ziehen von Werkstoffen mit hoher Adhäsionsneigung hohe Reibungskräfte auftreten und zudem ein komplexer Werkzeugaufbau für die aerostatische Schmierung erforderlich ist. Für bestimmte Tribo-Systeme sind die niedrigen Reibungskräfte und deren spezifische Anpassung jedoch von besonderem Vorteil. Neben dem Einsatz zur Vermeidung von mineralölbasierten Schmierstoffen ergeben sich somit für die aerostatische Schmierung zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten in der Blechumformung, wofür mit dieser Arbeit erste theoretische und auch praktische Grundlagen gelegt wurden.