Prüfung des Einflusses von Schmierstoffadditiven auf das Tribosystem bei der Kaltmassivumformung

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0. Zusammenfassung

Zusammenfassung

In einem tribologischen System beeinflußt die Wahl des Schmierstoffes die Reibung und den Verschleiß. Aus Kostengründen werden in der Regel Schmierstoffe nicht unter Produktionsbedingungen geprüft. Schmierstoffprüfverfahren existieren zwar in vielfältiger Weise; für die Kaltmassivumformung werden aber im Hinblick auf die Übertragbarkeit auf reale Umformvorgänge große Umformgrade, hohe Oberflächenvergrößerungen und hohe Flächenpressungen gefordert.

Uwe Horlacher

1. Einleitung

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In der öffentlichen Meinung setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, daß der sparsame Umgang mit Energie und Rohstoffen bei gleichzeitig möglichst geringer Belastung der Umwelt im allgemeinen Interesse liegt. Nach Angaben des Bundesministeriums für Forschung und Technologie (BMFT-Report 1984) verschlingen nämlich Reibung, Verschleiß und Korrosion in den Industrieländern etwa 4,5% des; Bruttosozialprodukts. Bei einer verstärkten Berücksichtigung tribologischer Kenntnisse ergibt sich hier ein umfangreiches Einsparungspotential.

Uwe Horlacher

2. Stand der Kenntnisse

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Die in einem Tribosystem ablaufenden Vorgältiger Art; selbst in der Umformzone können sie sich unterschieldlich einstellen und während des Umformvorganges verändern. Das Ansprechverhalten der Schmierstoffe wird dadurch mitbestimmt. Bild 2 zeigt das Stribeck-Diagramm sowie die dabei auftrenden Reibungszustände und den Verlauf der Reibzahl. Bei Umformvorgängen ist der vorwiegend zu beobachtende Schmierungsvorgang der Zustand der Mischreibung /1/.

Uwe Horlacher

3. Zielsetzung

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Wegen der Komplexität des tribologischen Systems (Bild 6 zeigt dies am Beispiel der Prüfverfahren Ziehdrücken und Schrägstauchen) ist es nahezu unmöglich, alle Einflußgrößen zu erfassen. Untersuchungen mit vertretbarem Aufwand erfordern eine Beschränkung der Parameter. In der vorliegenden Arbeit soll daher der Einfluß des Schmierstoffes bzw. seiner Additive auf das Tribosystem geprüft werden.

Uwe Horlacher

4. Eingesetzte Prüfverfahren

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Das Prinzip des Ziehdrückens besteht darin, durch eine Verfahrenskombination von Ziehen und Verjüngen eine Erhöhung des erreichbaren Umformgrades und damit auch der Oberflächenvergrößerung und der Flächenpressung zu erreichen. Bei diesem Verfahren wird das streifenförmige Werkstück durch zwei Ziehbacken hindurchgezogen und zugleich hindurchgedrückt (Bild 8). Am Werkstück wirken gleichzeitig eine Zug- und eine Druckkraft, so daß die Versagenskriterien — Reißen durch zu hohe Zugkräfte bzw. Knicken infolge zu hoher Druckkräfte — zu höheren Umformgraden hin verschoben werden.

Uwe Horlacher

5. Untersuchte Schmierstoffe

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Mineralöle werden in der Kaltmassivumformung nicht in reiner Form eingesetzt, da sie die hier auftretenden Anforderungen in der Regel nicht erfüllen (vgl. Bild 5). Daher werden Flüssigschmierstoffen auf Mineralölbasis im allgemeinen Zusätze in Form von Fettstoffen, Chlor-, Schwefel- und Phosphoradditiven zulegiert. Eine Prüfung von handelsüblichen Schmierstoffen ist nicht sinnvoll, da sie sich aufgrund unterschiedlichster Additivierungen und Viskositäten nicht vergleichen lassen.

Uwe Horlacher

6. Bestimmung der Temperatur

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Infolge der Umwandlung von Umformarbeit in Wärme und aufgrund der Reibung in der Wirkfuge erfolgt beim Umformen eine Temperaturerhöhung von Werkzeug und Werkstück. Nach /127/ wird die zur Umformung aufzuwendende mechanische Arbeit bis auf einen geringen Anteil, der als latente Energie im Werkstoff gebunden bleibt, in Wärme umgesetzt. Des weiteren führt die durch die Reibarbeit in der Wirkfuge entstehende Wärme zu einer Temperaturerhöhung in der Oberflächenschicht. Die Temperaturverteilung im Werkstück und Werkzeug ist während des Umformvorganges sehr ungleichmäßig /128/. Mit Hilfe der elementaren Plastizitätstheorie nach Siebel /74, 75, 129/ läßt sich die Temperaturverteilung im Werkstück näherungsweise berechnen.

Uwe Horlacher

7. Versuchsergebnisse

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Wie vorausgehende Untersuchungen gezeigt haben, wirkt sich die Art der Auftragung des Schmierstoffes (geprüft wurden Tupfen, Sprühen, Walzen und Pinseln) auf die Probenoberflache nicht auf die Reibzahl aus. Der überschüssige Schmierstoff wird beim Eintritt in die Werkzeugschulter von der Probenoberflache abgestreift, das dabei entstehende Schmierstoffdepot benetzt mögliche Flachen ungenügender Schmierfilmdicke. Dieser Effekt konnte auch bei den auf der Werkstückoberfläche ausgehärteten Polymerwachsen festgestellt werden.

Uwe Horlacher

8. Vergleich der Prüfverfahren

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Die beiden Schmierstoffprüfverfahren Ziehdrücken und Schrägstauchen eignen sich zur Prüfung von Schmierstoffen für die Kaltmassivumformung. Sie weisen gegenüber anderen Verfahren Vorteile auf. Ihre Anwendbarkeit ist jedoch auch begrenzt, teils durch das Verfahren selbst, teils durch betriebliche Gegebenheiten wie z.B. die verfügbaren Pressen und Meßeinrichtungen.

Uwe Horlacher

9. Folgerungen fūr die Industrielle Produktion

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Das Ziehdrücken vermag die Umformbedingungen beim Ziehen, Verjüngen und Abstreckgleitziehen ungefähr zu simulieren. Durch die gegenüber den Ziehverfahren deutlich höheren Oberflächenvergrößerungen können auch die Verhältnisse, beim Hohl-Vorwärts-Fließpressen besser nachgebildet werden. Als einziges Schmierstoffprüfverfahren mit annähernd konstanter Relativgeschwindigkeit in der Wirkfuge ist das Schrägstauchen bekannt. Es eignet sich zur Untersuchung des Geschwindigkeitseinflusses für Umformverfahren mit großen hydrodynamischen bzw. hydrostatischen Schmieranteilen.

Uwe Horlacher

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