Wear analysis of tool surfaces structured by machine hammer … · 2018. 12. 11. · Fritz Klocke, Daniel Trauth, Michael Terhorst, Patrick Mattfeld Lehrstuhl für Technologie der

© WZL/Fraunhofer IPT

Wear analysis of tool surfaces

structured by machine hammer peening

for foil-free forming of stainless steel

Vortrag zur gleichnamigen Veröffentlichung innerhalb des WGP

Kongress 2014

Fritz Klocke, Daniel Trauth, Michael Terhorst, Patrick Mattfeld

Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Erlangen, 09.09.2014

S45: Hub 100

2 mm

50 µm

Seite 3 © WZL/Fraunhofer IPT

Relativgeschwin-

digkeit

𝜎𝑘 𝜏𝑘

Werkstück

Normalkraft

Werkzeug

Schmier-

film

Ausgangssituation und Rückblick

Einführung in die Vorarbeiten

Technisch rau

Tribosystem

Trennung der

Wirkpartner

Ausgangssituation und Problemstellung

Trend nach Ressourcen- und Energieeffizienz erfordert den Einsatz von

Leichtbauwerkstoffen

Erhöhte Reibung und erhöhter Verschleiß infolge der Verwendung von

Leichtbauwerkstoffen

Gleichzeitig erfordern aktuelle Gesetzgebungen umweltfreundliche

Tribosysteme, womit allerdings den erhöhten Prozessanforderungen

nicht vollständig nachgekommen werden kann

Motivation und Zielsetzung der Vorarbeiten Verlagerung der reibungs- und verschleißminimierenden Schmierstoff-

eigenschaften auf strukturierte Werkzeugoberflächen

Strukturierung der Werkzeugoberflächen durch maschinelles Ober-

flächenhämmern zur Ausnutzung fluidmechanischer Eigenschaften und

zur Reduktion der wahren Kontaktfläche im Reibkontakt

Ausnutzung von Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen in der

Werkzeugrandzone zur Verbesserung der Tragfähigkeit und

Verschleißbeständigkeit der Strukturen

Werkzeugoberfläche

S90

T S45

Ziehrichtung

S45

2

mm


(a) Strip drawing test

Niederhalter

Stempel

FN

Achsen v

FN

FR FR

Blech

Streifenziehversuch

Ref.

Re

ibw

ert

µ [

-]

Reibwertanalyse (13 g/m²)

S90 T S45

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0 Ref.

- 58 %

Reibwertanalyse (4 g/m²)

Ref.

Re

ibw

ert

µ [

-]

S90 T S45

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0

- 57 %


Einführung in die Vorarbeiten: Experimentelle Reibwertanalyse

Versuchsdurchführung & -auswertung

Kombinierter Flachbahn-Umlenk-Streifenziehversuch

Bestimmung der Reibwerte nach Coulomb

Untersuchung der Reibwerte zweier unterschiedlicher

Schmierungszustände:

vollständige Benetzung (13 g/m²)

teilweise Benetzung (4 g/m²)

Reibwertermittlung jeweils am linken und rechten

Niederhalterpaar

Zur statistischen Absicherung wurden die Versuche

fünfmal wiederholt. Hieraus ergeben sich 10 Messwerte.

Bei sonst konstanten Versuchsbedingungen konnten die

Reibwerte ggü. der Ref. um bis zu 58% reduziert

werden

Legende: σK = Kontaktnormalspannung [MPa], FN = Normalkraft [N], FR = Reibkraft [N], v = Ziehgeschwindigkeit [m/min], T = Temperatur der Wirkpaarung [°C],

µ = Reibwert nach Coulomb [-]

Wirkpaarung

σK(FN) = 7 MPa

v = 4 m/min

T = 20 °C

Öl: Geroform 747

Werkstoffe

Blech: 1.4301 (V2A)

Niederhalter: 1.2379 (D2)

Quelle: F. Klocke, D. Trauth, F. Schongen, A. Shirobokov: Analysis of friction between stainless steel sheets and machine hammer peened structured tool surfaces:

experimental and numerical investigation of the lubricated interaction gap. Production Engineering, June 2014, Volume 8, Issue 3, pp 263-272


y

x z Kontaktnormalspannung

Ohne Fluid | Mit Fluid

0

σK 3

GPa

Schmierstoff

(grau)

Hydrostatischer Fluiddruck (Mit Fluid)

0

pfl 130

MPa

Festkörper

(grau)

Einglättung der Struktur Ohne Fluid | Mit Fluid

-2

U 0,5

µm

Ohne | Mit Mit Ohne | Mit

Legende: σK = Kontaktnormalspannung [GPa], pfl = Fluidmechanischer Druck [MPa], U = Verschiebung des Werkstoffs [µm]


Einführung in die Vorarbeiten: Numerische Analyse des Kontakts

Numerische Analyse des tribologischen Kontakts

Zusammenfassung und verbleibende offene Fragestellungen

Die reduzierten Reibwerte gehämmerter Werkzeug-

oberflächen im Vergleich zum Referenzsystem können

aus physikalischer Sicht wie folgt erklärt werden

- durch eine reduzierte wahre Kontaktfläche

- durch einen hydrostatischen Druck

Der Einfluss tribochemischer Wechselwirkungen

zwischen Schmierstoff und modifizierter Werkzeug-

oberfläche (Benetzung) ist unbekannt

Durch die Vergrößerung der Werkzeugoberfläche

besteht die Gefahr einer unzureichenden Benetzung

der Oberflächenstrukturen und folglich Verschleiß

Quelle: F. Klocke, D. Trauth, F. Schongen, A. Shirobokov: Analysis of friction between stainless steel sheets and machine hammer peened structured tool surfaces:

experimental and numerical investigation of the lubricated interaction gap. Production Engineering, June 2014, Volume 8, Issue 3, pp 263-272



Einführung in die Vorarbeiten: Grundlagen der Tropfenkonturanalyse

Bestimmung der Oberflächenspannung von Schmierstoffen

Die Oberflächenspannung der Schmierstoffe ist ein Maß für den

kohäsiven Zusammenhalt des Fluids

Eine hohe Kohäsivität verhindert ein Aufreißen des Schmierfilms,

wirkt jedoch auch einer guten Benetzung der Werkzeuge entgegen

Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt mithilfe des

hängenden Tropfens

Zur Aufteilung der Oberflächenspannung in dispersive und polare

Spannungskomponenten findet die Methode des liegenden Tropfens

mit Festkörpern bekannter Eigenschaften (z.B. Teflon) Anwendung

Bestimmung der Oberflächenenergie von Festkörpern

Die Oberflächenenergie von Festkörpern erfolgt mithilfe der

Methode des liegenden Tropfens

Hierbei werden Referenzflüssigkeiten, wie Diiodmethan, Ethylen-

glycol und destilliertes Wasser mit jeweil bekannter Oberflächen-

spannungskomponenten (dispersiv und polar), verwendet

Mithilfe der Methode nach Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)

können die Oberflächenenergien und ihre Komponenten bestimmt

werden

Liegender Tropfen Hängender Tropfen

Tropfenkonturmesssystem


5 10 15 20 25 30 35 40 Disperse Oberflächenenergie des

Festkörpers σs,d [mN/m]

5

10

15

20

25

30

35

Po

lare

Ob

erf

läch

en

ene

rgie

de

s

Fe

stk

örp

ers

σs,p [m

N/m

]

Geschliffen

S90

S45

Poliert

X5CrNiMo18-10 (Glänzend)

X5CrNiMo18-10 (Matt) 40

Benetzung der Wirkpartner

Bei Kenntnis der dispersiven und polaren Spannungs-

anteile können Wetting Envelopes erstellt und mit den

Komponenten der Schmierstoffe zur Beschreibung des

Benetzungsverhaltens der Wirkpartner kombiniert werden

Schmierstoffe, deren dispersive und polare Anteile inner-

halb eines betrachteten Wetting Envelopes sind, lassen

eine vollständige Benetzung der Oberflächen erwarten

Schmierstoffe außerhalb eines Wetting Envelopes sollten

vermieden werden

Sehr viel besseres Benetzungsverhalten beim Blech-

werkstoff

Vergleichbares Benetzungsverhalten bei der

Referenzoberfläche und den Oberflächenstrukturen

Schlechtes Benetzungsverhalten mit polierten

Werkzeugoberflächen

Unterschiede im Benetzungsverhalten könnten durch die

physikalisch-chemischen Adhäsionsarbeit erklärt werden


Einführung in die Vorarbeiten: Bestimmung der Benetzbarkeit

T

Geroform 747

Quelle: F. Klocke, D. Trauth, M. Terhorst, P. Mattfeld: Friction analysis of alternative tribosystems for a foil free forming of stainless steel using strip drawing test:

analysis of physicochemical interactions between coatings and lubricants. Production Engineering, June 2014 , Online first.


Geschliffen

S90 T S45

Poliert

X5CrNiMo18-10 (Glänzend)

X5CrNiMo18-10 (Matt)

Unter Adhäsionsarbeit (WFK/FL) wird die reversible

Oberflächenarbeit (auch differenzielle Grenzflächen-

arbeit genannt) verstanden, die zum Ablösen der

Benetzung vom Untergrund erforderlich ist (nach

Dupré 1869):

𝑊𝐹𝐾/𝐹𝐿 = 𝜎𝐹𝐿 ∙ (cos 𝜃 + 1) = 𝜎𝐹𝐾 + 𝜎𝐹𝐿 − 𝛾𝐹𝐾/𝐹𝐿

Legende:


Einführung in die Vorarbeiten: Bestimmung der Adhäsionsarbeit

Der Spreitdruck ist ein Maß für die Neigung zur voll-

ständigen Benetzung einer flüssigen Phase auf einem

Festkörper. Der Spreitdruck S ist die Differenz aus der

Adhäsionsarbeit zwischen den Phasen und der Kohäsions-

arbeit der flüssigen Phase und sollte S > 0 sein:

𝑆𝐹𝐾/𝐹𝐿 = 𝑊𝐹𝐾/𝐹𝐿 − 𝑊𝐹𝐿 > 0

Ausreichendes Benetzungsverhalten für Spreitdrücke

innerhalb des Bereichs -5 < S < 0

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

0 20 40 60 80 100

Ad

häs

ion

sa

rbe

it W

FK

/FL

[J/m

2]

Benetzungsdauer t [s]

56

56.5

57

59 60 61

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 20 40 60 80 100Sp

reit

dru

ck

S

FK

/FL [

mN

/m]

Benetzungsdauer t [s]

-1.6

-1.1

59 60 61

Quelle: F. Klocke, D. Trauth, M. Terhorst, P. Mattfeld: Friction analysis of alternative tribosystems for a foil free forming of stainless steel using strip drawing test:

analysis of physicochemical interactions between coatings and lubricants. Production Engineering, June 2014 , Online first.


Zusammenfassung 5

Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen 4

Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen 3

Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2

Ausgangssituation und Rückblick 1

Gliederung


Motivation

Mithilfe der Reibwertanalyse wurde eine um bis zu 58% reduzierte

Reibung beobachtet

Numerische Analysen des tribologischen Kontakts zeigten ein stark

reduzierte wahre Kontaktfläche

Durch die reduzierte wahre Kontaktfläche steigt die

Kontaktnormalspannung, wodurch die Verschleißbeständigkeit der

Oberflächenstrukturen untersucht werden muss

Physikalisch-chemische Analyse lassen in einem ersten Schritt eine

vollständige Benetzung der Werkzeugoberflächen vermuten

In einem zweiten Schritt müssen adhäsive und abrasive

Verschleißeffekte untersucht werden

Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise

Motivation und Zielsetzung

Streifenziehversuch

Kombinierter Flachbahn-Umlenk-

Streifenziehversuch

Bestimmung der Reibwerte nach

Coulomb

Durchführung von 500 Hübe pro

Struktur

Niederhalter

Stempel

FN

Achsen v

FN

FR FR

Blech

Zielsetzung

Quantifizierung des adhäsiven oder abrasiven Verschleißes der

Oberflächenstrukturen unter Durchführung von 500 Hub mittels

Streifenziehversuch je Oberflächenstruktur


Analyse

Itera

tive

Vo

rge

hen

sw

eis

e a

n N

ied

erh

alt

erp

latt

en

au

s

X1

55

CrM

oV

12

(1.2

37

9) Reibwert-

analyse

Tropfenkontur-

analyse

Verschleiß-

analyse

Ausgangs-

situation und

Motivation Stand der

Technik

Ausblick und

Anwendung

Oberflächen-

strukturierung

Abstrahieren

Fluidmech.

Eigenschaften

Randschicht-

eigenschaften

MPa, HRC…

Reibwert-

entwicklung

Analysieren

𝑓

Streifenzieh-

versuch

FN FN

FR FR v

v, p, σ...

Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise

Vorgehensweise

Hängender

Tropfen Adhäsions-

arbeit/Spreitdruck

Wetting

Envelope

Liegender

Tropfen

𝑆𝐹𝐾/𝐹𝐿 > 0 ?

Streifenzieh-

versuch

FN FN

FR FR v 𝜇

Abrasion/

Adhäsion


Zusammenfassung 5





Gliederung


Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen

Sicherstellung einer reproduzierbaren Benetzung

Beölungsanlage

Laboranlage LBA 200/ 04-50 der Fa.

Raziol

Zur reproduzierbaren Applikation von

Schmierstoffen

Aufstäuben des Schmierstoffs über

beheizbares Düsensystem zur

Steuerung der Schmierfilmmenge

und -verteilung

Geroform 747 (1,5 g/m²)

Geroform 747 (1,5 g/m²)

2 mm

250 µm

Durchführung

einer Verschleißanalyse

Niederhalter

Stempel

FN

Achsen v

FN

FR FR

Blech

Werkstoffe

Blech: 1.4301

Niederhalter: S45, S90

Wirkpaarung

σK(FN) = 7 MPa

v = 4 m/min

T = 20 °C

Öl: Geroform 747

Wiederholungen: je 500

Analyse des Beölungsbildes



Entwicklung des Reibwertes

(a) Beölungsanlage

Niederhalter

Stempel

FN

Achsen v

FN

FR FR

Blech

(b) Streifenziehversuch

Ölspeicher Düsen

Steuerung S90 S45

Reib

wert

µ [

-]

1 20 60

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0 100 200 300

Hubnummer H [-]

400 500

Ref. Standardabweichung

0,12


Reproduzierbare Benetzung durch Beölungsanlage

Kombinierter Flachbahn-Umlenk-Streifenziehversuch

Bestimmung der Reibwerte nach Coulomb

Durchführung von 500 Hübe pro Struktur

Auswertung von je fünf Reibwerten vor und nach der

betrachteten Hubnummer jeweils links und rechts

Signifikante Verschlechterung des Reibwerts der

polierten (Ref.) Niederhalterpaare ab 100 Hübe

Reibwertniveau von S45 und S90 im Bereich der

Ausgangsreibwerte. Starke Schwankungen der

Reibwerte ab 100 Hübe

Schwankungen könnten mit adhäsivem oder

abrasivem Verschleiß erklärt werden

(c) Reibwertentwicklung



Analyse des Verschleißes

(a) REM-Analyse (b) EDX-Analyse

S45

S

90

Spot 2

Hub 0 Hub 100

1 mm 50 µm Spot 1

Chemisches Element [-]

Rö

ntg

en

em

mis

ion [-]

Chemisches Element [-]

Spot 1 Spot 2

Grundwerk-

stoff

Aufschmie-

rung =

AISI 304

1 mm 1 mm 50 µm

1 mm

Verschleiß

Verschleißfrei


REM-Analyse der Oberflächenstrukturen zeigen

adhäsive Aufschmierungen bei S45 ab dem 100 Hub

und bei S90 ab dem 200 Hub

EDX-Analyse des aufgeschmierten Materials ermittelt

Elemente wie Nickel und Vanadium, welche nur im

Blechwerkstoff vorhanden sind

Infolge der stark reduzierten wahren Kontaktfläche

steigen die Kontaktnormalspannungen deutlich an

Unter Relativbewegung entstehen hierdurch hohe

Reibschubspannungen, welche die Fließspannung des

weichen Blechwerkstoffs überschreiten und zu

Aufschmierungen führen

Durch die Verwendung einer Werkzeugbeschichtung

könnte die Kontaktmechanik positiv beeinflusst werden

Hub 0 Hub 100


Zusammenfassung 5





Gliederung


(a) Kalottenschleifen (b) Ritztest (c) Rockwell-Test

Ref. S90 S45

d

D

250 µm

0 N

100 N

1000 µm Lc1 Lc2

S45

S45

250 µm

Ref. S45 S90


Maschinelles Oberflächenhämmern hat keinen Einfluss

auf die abgeschiedene Schichtdicke h

Ebenfalls werden die Schichtfestigkeit (Lc1 und Lc2)

sowie die Schichthaftfestigkeit (Lc3) bis max. 100 N

Prüfkraft nicht signifikant beeinflusst

Rockwell-Tests zeigen bei 1,5 kN Prüfkraft eine

deutliche Verschlechterung der Schichthaftfestigkeit

Dies wird durch erhöhte Schubspannungen im Interface

infolge des durch die geometrische Oberflächenstruktur

erzeugten mehrachsigen Spannungszustandes erklärt

Struktur Schichtdicke

h [µm]

Lc1

[N]

Lc2

[N]

Lc3

[N]

HK

[-]

Ref.-

SPCS 1,102 11,5 19,4 54,6 2-3

S90-

SPCS 1,025 10,3 18,8 54,7 4

S45-

SPCS 1,013 9,2 18,2 55,7 4

Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen

Analyse der Schichteigenschaften


(b) REM-Analyse

Hub 0 Hub 100

1 mm 1 mm

(a) Reibwertentwicklung

Re

ibw

ert

µ [

-]

1 20 60

0,01

0,03

0,05

0,02

0,04

0 100 200 300

Hubnummer H [-]

400 500

S90 S90-SPCS S45 S45-SPCS

Hub 200

1 mm

S9

0

1 mm 1 mm 1 mm 50 µm S90

-SP

CS

Verschleiß

Ref.-SPCS

Hub 0 Hub 300 Hub 500

Ref.

50 µm

Verschleißfrei

0,12


Zusätzliche Versuche unter Verwendung einer

modifizierten TiCN-Beschichtung der Fa. Eifeler

Vacotec

Durch die Beschichtung wurde das Verschleiß-

verhalten der Werkzeuge verbessert

Der Reibwert der polierten Werkzeuge konnte

deutlich verringert werden

Der Reibwert der beschichteten Oberflächenstrukturen

S45 und S90 variiert in ähnlicher Weise wie der

Reibwert der unbeschichteten Strukturen

Adhäsive Aufschmierungen wurden bis 500 Hübe nicht

beobachtet


Analyse der Verschleißbeständigkeit beschichteter Strukturen


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 100 200 300 400 5000

1

2

3

4

5

6

7

0 100 200 300 400 5000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 100 200 300 400 500

Legende: S90 S90-SPCS S45 S45-SPCS

Oberflächenkennwert

Sz [µm]

Hubnummer H [-]


Sa [µm]


Rz [µm]

Hubnummer H [-] Hubnummer H [-] Hubnummer H [-]

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 100 200 300 400 500


Ra [µm] ,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,


Analyse der Oberflächenrauheit


Messgerät: HOMMEL-ETAMIC nanoscan 855

Taktile Rauheitsmessung in einem Messbereich 2x2 mm

Messauflösung 5 µm

Tastspitzenradius 2 µm

Keine direkte Korrelation zwischen den

Rauheitswerten Sz, Sa, Ra sowie Rz und dem

Verschleiß

Eine Korrelation wird bei stärkeren Verschleißvolumina

und einer höheren Messauflösung erwartet


Zusammenfassung 5





Gliederung


θ

Zusammenfassung

Durch maschinelles Hämmern hergestellte

Oberflächenstrukturen können den Reibwert einer

Gleitpaarung um bis zu 58 % reduzieren

Die Tropfenkonturanalyse zeigt, dass durch die

Oberflächenstrukturierung die Oberflächenenergie

erhöht wird, wodurch eine bessere Benetzung zu

erwarten ist

Die Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und

Oberflächenstruktur ist unter Verwendung der

Oberflächenstruktur S45 am größten

Innerhalb von 500 Hüben im Streifenziehversuch

wurden leichte adhäsive Verschleißspuren an

unbeschichteten Werkzeugen beobachtet

Oberflächenstrukturen haben keinen negativen

Einfluss auf die Schichthaftfestigkeit

Der adhäsive Verschleiß der Oberflächenstrukturen

wurde durch Verwendung einer TiCN-Beschichtung

innerhalb von 500 Hübe vermieden


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth

Gruppenleiter Umformende Fertigungsverfahren

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

( +49 241/ 80 27999

* [email protected]

S45: Hub 100

2 mm

Documents

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