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

Anmerkung des Herausgebers: Diese Forschung wird in drei Teilen präsentiert. In Teil II werden Ergebnisse für die D2-Werkzeugstahleinsätze und zwei Arten von Oberflächenbeschichtungen berichtet. In Teil III werden die Ergebnisse für nitrierte und hartverchromte D6510- und S0050A-Wendeschneidplatten erörtert.

Beim Kaltverschweißen werden Blechpartikel mit der Oberfläche des Prägestempels verschweißt. Diese dauerhafte Ablagerung entsteht häufig, wenn Metalloberflächen in Kontakt sind und aneinander gleiten.

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. Als Matrizenmaterialien verwendeten sie D6510-Sphäroguss, S0050A-Gussstahl und D2-Werkzeugstahl sowie Einsätze aus drei getesteten Materialien mit Schmierstoffmengen und Oberflächenbehandlungen, die typischerweise beim Stanzen verwendet werden.

Die Forscher wählten eine einfache Flach-zu-Flach-Testkonfiguration, um den durchschnittlichen Kontaktdruck abzuschätzen, der dem Beginn des Abriebverschleißes beim Stanzen von 2,5 mm dickem AA5754-Aluminiumblech entspricht. Zwei flache Einsätze aus identischem Material und ähnlicher Rauheit und Schmiermittelmenge mit 42 x 42 mm großen Kontaktflächen wurden im Ziehsickensimulator mit einer kontrollierbaren Klemmkraft zusammengeklemmt (siehe Abbildung 1). Die getesteten Streifen waren 600 mm lang und 50,8 mm breit. In dieser Konfiguration waren die Streifen breiter als die getesteten Einsätze. Da der Einsatz an der Kante einen Radius von 1,5 mm hatte, war der Effekt des Kantenkontakts zwischen dem Streifen und dem Matrizeneinsatz weniger ausgeprägt.

Die getesteten Streifen wurden mit 1.000 mm/min zwischen zwei eingespannten Einsätzen gezogen. für alle gemeldeten Tests. Die Haltekraft begann bei 13 kN, der minimal möglichen Haltekraft des Ziehwulstsimulators, und steigerte sich auf das Klemmkraftniveau, bei dem Abrieb beobachtet wurde. Wenn sich Blechmaterial auf der Einsatzoberfläche ablagerte, entfernten die Forscher die Ablagerungen mit Schleifpapier der Körnung 1.200 und entfernten dann Schmutz und Partikel mit Aceton.

Drei Schmierbedingungen wurden verglichen: 61AUS-Mühlenöl (50 mg/ft.²), Drycote 2-90 (DC 2-90) und trocken ohne Schmiermittel. Ein NG2-Sensor maß die Schmiermitteldicke an sechs Stellen auf jeder Seite des Streifenprüfbereichs.

Dem Abrieb gehen oft Kratzer auf der Blechoberfläche voraus, und allgemeine Kratzer und Abrieb können durch Überwachung der Zugkraft-/Gleitverschiebungskurve auf der Prüfmaschine erkannt werden. Bleibt die Zugkraft während des Versuchs nahezu konstant, bedeutet dies, dass kein zusätzlicher Widerstand durch das geprüfte Blech aufgetreten ist.

Während die Forscher die Ergebnisse zur Zugkraft meldeten und Änderungen an der Kontaktfläche erkannten, präsentierten sie die Ergebnisse in Form des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (COF), der auf der Grundlage des Coulomb-Reibungsgesetzes ermittelt wurde. Reibungskräfte wirken auf beiden Seiten eines Streifens, der zwischen zwei gegenüberliegenden flachen Einsätzen gezogen wird, und der COF wird mit der Formel µ = F₁/2F₂ berechnet (siehe Abbildung 2).

Die Forscher ermittelten den Beginn des Fressverschleißes, indem sie die Einsätze untersuchten und den Fressbereich mit einem Bruker-Profilometer maßen. Abbildung 3 zeigt beide D6510-Wendeschneidplatten, wenn das Festfressen für DC2-90-Schmiermittel festgestellt wurde. Einzahlungen auf dem Profil werden rot dargestellt. Beachten Sie, dass die Ablagerungen von Aluminiumrohlingen auf der Oberfläche des Matrizeneinsatzes häufiger in der Nähe der Kante des Einsatzes auftraten. Auch wenn der Streifen breiter als der Einsatz war, könnte es im Bereich nahe der Kante des Einsatzes einfacher sein, Schmiermittel von der Kontaktfläche herauszudrücken.

Die Forscher berechneten den COF gemäß der Formel unter Verwendung der von einer Instron-Wägezelle gemessenen Zugkraft und der Klemmkraft, die aus dem Druck im Hydraulikzylinder des Zugwulstsimulators berechnet wurde. Die COF-Kurven für die D6510-Wendeschneidplatten mit DC2-90-Schmiermittel sind in Abbildung 4 dargestellt. Insgesamt war der COF mit DC2-90 sehr niedrig, was das Formen komplizierter Formen und tieferer Züge ermöglicht. Ein mäßiger Anstieg des COF weist normalerweise auf Kratzer auf der Blechoberfläche hin, während ein schneller Anstieg auf den Beginn von Abrieb hindeutet. In Abbildung 4 beginnt die Kurve bei einer Kraft von 70 kN anzusteigen.

ABBILDUNG 1. Zwei flache Einsätze mit 42 x 42 mm großen Kontaktflächen wurden im Ziehsickensimulator zusammengespannt.

Kratzer entstehen oft gleichzeitig mit dem Auftreten von Ablagerungen auf der Wendeschneidplatte, aber im Fall von D6510 mit DC2-90 traten Kratzer bei einer Klemmkraft von 40 kN auf, bevor es zu Abrieb an den Wendeschneidplatten kam (siehe Abbildung 5). Mit zunehmender Klemmkraft traten mehr Kratzer auf, bis bei einer Kraft von 70 kN ein Festfressen beobachtet wurde.

Bei den S0050A-Wendeschneidplatten mit 50 mg/ft.2 61AUS begann das Festfressen bei einer Klemmkraft von 45 kN. Bei DC2-90 begann das Festfressen bei 50 kN. Wenn kein Schmiermittel aufgetragen wurde, begann das Festfressen bei einer Spannkraft von 13 kN.

Bei den D6510-Wendeschneidplatten mit 50 mg/ft.2 61AUS begann das Festfressen bei 40 kN. Bei den gleichen Wendeschneidplatten mit DC2-90 begann es bei 70 kN (bei 40 kN wurden Kratzer beobachtet), und ohne aufgetragenes Schmiermittel begann das Festfressen bei einer Klemmkraft von 13 kN.

Abbildung 6 fasst den durchschnittlichen Kontaktdruck zusammen, der dem Festfressen entspricht, unter Berücksichtigung der Oberflächenrauheit der Wendeschneidplatte vor dem Test. Die anfängliche Rauheit der Einsatzoberfläche vor dem Test betrug 606 nm für S0050A und 165 nm für D6510. Bei den S0050A-Wendeschneidplatten mit 50 mg/ft.2 61AUS begann das Festfressen bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 26 MPa. Bei den gleichen Einsätzen mit DC2-90 begann das Festfressen bei 28 MPa und trockene Einsätze zeigten Festfressen bei 7 MPa.

Bei den D6510-Wendeschneidplatten mit 50 mg/ft.2 61AUS begann das Festfressen bei einem durchschnittlichen Kontaktdruck von 23 MPa. Bei DC2-90 begann das Festfressen bei 40 MPa (obwohl bei 23 MPa Kratzer auf der Probe beobachtet wurden). Ohne Schmiermittel begann es bei 7 MPa.

Die Fressschwelle war am höchsten, wenn DC2-90-Schmiermittel auf S0050A und D6510 aufgetragen wurde, und am niedrigsten, wenn kein Schmiermittel aufgetragen wurde. Trockene Stellen sind aus reibender Sicht sicherlich sehr schädlich.

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. Dr. Dajun Zhou von Stellantis lieferte sehr nützliche Kommentare und beteiligte sich aktiv an der Diskussion der Schlussfolgerungen für das Projekt.