Erkennen des Beginns von Fressverschleiß beim Stanzen von Aluminiumlegierungen, Teil II

ABBILDUNG 1. Der rote Bereich rechts ist der Ablagerungsbereich auf einem blanken D2-Einsatz, der mit 61AUS-Schmiermittel getestet wurde. Das Profil dieser Einzahlung wird links angezeigt.

Anmerkung des Herausgebers: Forscher am Oakland University Center of Advanced Manufacturing and Materials (CAMM) führten kürzlich eine Studie durch, um zu ermitteln, welche Kombination aus Matrizenmaterial, Matrizenoberflächenbehandlung und Schmiermittel sich am besten zur Verhinderung von Abrieb beim Stanzen von Strukturteilen aus Aluminium eignet. Diese Forschung wird in drei Teilen präsentiert. Teil I berichtete über Ergebnisse für D6510- und S0050A-Matrizenmaterialien ohne Oberflächenbehandlungen. In Teil III werden die Ergebnisse für nitrierte und hartverchromte D6510- und S0050A-Wendeschneidplatten erörtert.

Das Ziel der Forscher bestand darin, den Beginn des Abriebverschleißes von blanken D2- und mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichteten (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H)-Einsätzen in Kontakt mit 2,5 mm dickem Aluminiumblech 5754 zu bestimmen um den Einfluss von Schmierung, Kontaktkraft und anfänglicher Rauheit der Werkzeugoberfläche zu quantifizieren. Der Aufbau des Werkzeugs ist ausführlich in „Reibungsmessung beim Stanzen von UHSS“ beschrieben. Die experimentelle Methodik war die gleiche wie in Teil I.

Die Forscher untersuchten die Einsätze und führten mit einem Bruker-Profilometer Profilmessungen des Fressbereichs durch. Abbildung 1 zeigt die blanken D2-Wendeschneidplatten, als das Fressen für 61AUS-Schmiermittel bestimmt wurde, sowie das Profil der Ablagerung auf der linken Seite. Der rote Bereich im Profil ist die Fläche der Ablagerung.

Die Zugkraft in dieser Testkonfiguration charakterisierte die Reibungskräfte, die von beiden Seiten des Blechs ausgeübt wurden, das zwischen zwei flachen Einsätzen gezogen wurde, die mit dem Zugsickensimulator zusammengeklemmt wurden. Der Reibungskoeffizient (COF) wurde als Verhältnis der Zugkraft und der doppelten Klemmkraft unter Berücksichtigung zweier Reibungsflächen berechnet. Die Spannkraft war während des Tests ein konstanter Wert, da sie durch den Druck im Hydraulikzylinder des Ziehwulstsimulators angetrieben wurde. Daher war die COF-Kurve gegenüber der Gleitverschiebung proportional zur Zugkraft und lieferte den experimentellen COF-Wert, der als zusätzlicher Vorteil dieser Studie für die numerische Simulation angewendet werden kann.

Die COF-Kurve für eine Klemmkraft von 55 kN mit blanker D2-Wendeschneidplatte, geschmiert mit 61AUS-Mühlenöl, ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Kurve war eine der möglichen Methoden zur Bestimmung des Abriebverschleißes an den Wendeschneidplatten. Der zur Zugkraft proportionale Anstieg des COF ist ein Zeichen für den Beginn des Verschleißes. Dieser Anstieg kann als zusätzlicher Widerstand aus dem lokalen Bereich interpretiert werden, in dem ein Partikel mit der Formoberfläche verschweißt ist. Dieses Partikel erzeugte einen lokalen, aber recht erheblichen Widerstand gegen den Materialfluss entlang der Einsatzoberfläche, indem es eine lokale Vertiefung in die Blechoberfläche hinterließ, die einen Kratzer auf der Oberfläche des getesteten Streifens parallel zur Zugrichtung hinterließ. Ein leichter Anstieg der Kurve wurde bei einer Klemmkraft von 50 kN beobachtet, was einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 28 MPa entsprach und auf den Beginn des Festfressens hindeutete. Bei weiterer Erhöhung der Klemmkraft wurde ein deutlicherer Anstieg des COF beobachtet.

Kratzer auf der Probe von blankem D2 mit 61AUS-Schmiermittel sind in Abbildung 3 dargestellt.

Tests von D2 mit DLC-Beschichtung mit beiden Schmiermitteln zeigten kein Festfressen und einen niedrigen COF. Bei den Tests mit 61AUS bei einer Klemmkraft von 100 kN überschritt die maximale Zugkraft (15,8 kN) die Streckgrenze des Blattmaterials (14,5 kN), die experimentell anhand des Zugtests der getesteten Streifen gemessen wurde. Bei den Einsätzen wurde kein Abrieb beobachtet.

Für die Tests von DLC-beschichteten D2-Wendeschneidplatten mit DC2-90-Schmiermittel wurde die Klemmkraft bis auf 200 kN erhöht, was der maximal möglichen Kraft der Hydraulikpumpe entspricht. Bei den Einsätzen wurde kein Festfressen beobachtet, obwohl der COF bei höheren Kräften zunahm.

Der einzige Zustand, in dem bei DLC-beschichtetem D2-Stahl Abrieb beobachtet wurde, war der trockene Zustand ohne Schmiermittel. Der D2-Einsatz mit DLC-Beschichtung ist nach diesem Experiment in Abbildung 4 dargestellt. Das Ablagerungsprofil ist rechts dargestellt, und der rote Bereich auf dem Profil ist die Ablagerungsfläche.

Abbildung 5 fasst den durchschnittlichen Kontaktdruck-Abriebschwellenwert zusammen, der mit der Rauheit der Einsätze vor dem Test korreliert. Dieser betrug 358 nm für blanke D2-Einsätze und 71 nm für DLC-beschichteten D2-Werkzeugstahl. Bei den blanken D2-Einsätzen mit 50 mg/ft.2 61AUS begann das Festfressen bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 28 MPa; Bei den blanken D2-Einsätzen mit DC2-90 begann das Festfressen bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 51 MPa; und im trockenen Zustand begann es bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 7 MPa. Bei DLC-beschichtetem D2 mit 50 mg/ft.2 61AUS- und DC2-90-Schmiermitteln wurde im gesamten Kontaktdruckbereich kein Festfressen beobachtet. Im trockenen Zustand begann das Festfressen bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 11 MPa. Dies weist darauf hin, dass die DLC-Beschichtung auf der D2-Basis und ihre sehr gute Politur eine hervorragende Beständigkeit gegen Abrieb bieten.

Dieses Forschungsprojekt wurde zum Teil vom United States Council for Automotive Research mit Beiträgen von Novelis Corp. finanziert, das eine Spule aus 5754-Aluminiumlegierung bereitstellte; Ionbond LLC, das Beschichtungen getesteter Einsätze durchführte; und Quaker-Houghton, das Schmierstoffe und technische Empfehlungen für die Anwendung bereitstellte.