Optimierung der Oberflächenmikrogeometrie von Aluminiumfeinblech für das Karosserieziehen

In die Zukunft weisende Betrachtungen und Studien zum Werkstoffeinsatz im Automobilbau prophezeien dem Werkstoff Aluminium hohe Zuwachsraten von gegenwärtig ca. 3% auf über 10% /l, 2/. Ein großer Anteil wird hierbei dem Karosseriebau zugeschrieben, da sich Aluminium als Substitutionswerkstoff für Stahlblech bei einer durchschnittlichen Gewichtseinsparung bis zu 50% vorzugsweise bei den Anbauteilen, wie z.B. Motorhauben, Heckdeckeln, Türen, Kotflügeln sowie Struktur- und Innenausbauteilen anbietet /3, 4/.

Bevor man die Einflüsse der Oberflächenfeingestalt auf das Umformen durch Tief-, Streck- und Karosserieziehen klärt und daraus folgernd eine Optimierung angeht, hat man sich zunächst darüber zu vergegenwärtigen, welchen Stellenwert die Blechoberfläche im gesamten Produktionsablauf einnimmt. Bild l umreißt schematisch, aus welchen Bereichen Anforderungen an eine Blechoberfläche herangetragen werden.

Bild 4 zeigt schematisch die Vorgehensweise bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung. Eine zentrale Bedeutung nimmt die systematische Erstellung und fortlaufende Ergänzung des Anforderungskataloges an Aluminiumfeinbleche und deren Oberflächenbeschaffenheit ein, der aufgestellt wird ausgehend vom vor Ort erarbeiteten Problemkreis industrieller Karosserieteilefertigung, über eine sich damit wirkungsvoller gestaltende Literaturauswertung, über eine Orientierung beim Optimierungsvorgehen bei Stahlblechoberflächen bis hin zur Berücksichtigung der Weiterverarbeitungsund Gebrauchseigenschaften von umgeformten Blechteilen.

Beim Umformen ändern sich die geometrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Blechoberfläche. Zieht man als ordnendes Merkmal die mikrogeometrische Veränderung der Oberfläche heran, so kann zwischen freier und gebundener Oberflächenwandlung (Bild 19) unterschieden werden /13/. Durch freie Umformung können sich die Oberflächen ohne Kontakt zu einer Werkzeugoberfläche verändern. Gebundene Umformung liegt dann vor, wenn von einer Werkzeugoberfläche Druck- und Schubkräfte auf das Werkstück ausgeübt werden. Vor allem in der Blechumformung tritt gleichzeitig oder abwechselnd freies und/oder gebundenes Umformen auf. Um systematisch vorzugehen, soll zunächst der einfachere Fall, das freie Umformen besprochen werden. Die gebundene Umformung, die das Vorhandensein eines tribologisehen Systems als Vorraussetzung hat, wird in Kapitel 5 behandelt.

Ausschlaggebend für das tribologische Verhalten beim Tief-, Streck- oder Karosserieziehen ist die gebundene Oberflächenwandlung /12, 16/, die zwischen Niederhalter und Ziehring, an Ziehleisten, am Ziehringradius, entlang der Stempelberührfläche und beim Ziehen mit Gegenstempel entlang des Stempel kopfes vorliegt. Um zunächst nur das Einglättungs- und Reibungsverhalten ohne mikrogeometrische Veränderungen, hervorgerufen durch Kontaktnormalspannungen im Blech (vgl. Kapitel 4, Bild 19), zu betrachten, wird der Modellversuch Streifenziehen (vgl. Abschnitt 5.1) herangezogen, der das tribologische Verhalten in der Wirkfuge z.B. zwischen Niederhalter und Ziehring sehr vereinfachend simuliert.

Aufbauend auf Überlegungen und Ergebnissen aus den Kapiteln 4 und 5 soll in den nachfolgenden Abschnitten das Verhalten der einzelnen Oberflächen beim Ziehen von Bauteilen analysiert werden, mit dem Ziel, Hinweise auf die ziehtechnisch günstigste Oberfläche zu erhalten.

Die ziehtechnisch optimale Oberflächentopographie kann Eigenschaften mit sich führen, die sie für die Weiterverarbeitung oder wegen nicht hinreichender Gebrauchsqualität ausscheiden lassen.

Der Einsatz einer Blechqualität für den Karosseriebau ist letztlich an eine Vielzahl von Anforderungen und Bedingungen geknüpft; daß dabei die Blechoberfläche mit eine zentrale Bedeutung einnimmt, wurde in Kapitel 2 erörtert. Die Auswahl bzw. der Entscheidungsprozeß kann vergleichbar mit dem Ablauf einer systematischen Konstruktion vorgenommen werden.

Anhand zweier beim Blechumformen häufig eingesetzter Aluminiumlegierungen mit jeweils unterschiedlichen Oberflächenfeinstrukturen wurde der Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf das Verhalten beim Tief-, Streck- und Karosserieziehen allgemein erfaßt.