Tribologie und IHU

Untersuchungen zur Tribologie der Innenhochdruck-Umformung (IHU)

 

Um einen IHU-Prozess sicher gestalten zu können, müssen Wechselwirkungen zwischen den Systemparametern, den Prozessparametern und der Reibzahl µ bekannt sein. Auch quantitative Aussagen zur Reibzahl µ sind von großem Interesse, da die zur Prozessauslegung verwendete FE-Simulation nur so exakt sein kann wie ihre Eingangsgrößen. Neben der Ausformung wirkt sich die Reibung auch auf die Wanddickenverteilung des Bauteils aus. Aus diesen Gründen kommt der Abbildung der tribologischen Randbedingungen eine wichtige Rolle hinsichtlich der Reduzierung von Bauteilentwicklungszeiten und den damit verbundenen Kosten zu. Ein erfolgsversprechender Weg, um realistische Reibwerte µ zu ermitteln und Aussagen zu deren Abhängigkeit von Prozess- und Systemparametern machen zu können ist eine reproduzierbare und homogene Nachbildung der typischen Beanspruchungszustände während eines IHU-Prozesses. Hierzu wird eine Einteilung in verschiedene Umformbereiche vorgenommen. Wie in [Abbildung 1] dargestellt, ergeben sich folgende Bereiche:

  • die Führungszone
  • die Übergangszone
  • die Aufweitzone

Abbildung 1: Modellbildung eines realen IHU-Prozesses
Abbildung 1: Modellbildung eines realen IHU-Prozesses

Zur Untersuchung der bei einem IHU-Prozess vorherrschenden tribologischen Bedingungen wurden drei Prüfstände aufgebaut. Mit diesen Prüfständen ist es möglich, den Einfluss von System- und Prozessparametern auf die Reibung zu ermitteln.

Versuchstand – Führungszone

Zur Untersuchung der tribologischen Bedingungen in der Führungszone dient der in [Abbildung 2] dargestellte Versuchstand. Ein mit Innendruck belastetes Rohr wird durch Werkzeuge geschoben, die in gelagerten Werkzeugaufnahmen platziert sind und die Führungszone modellieren. Durch die auftretenden Reibschubspannungen zwischen der Rohrmantelfläche und den beiden Werkzeughälften wird der gesamte Versuchswerkzeugblock gegen eine mit Kraftmessdosen bestückte Abstützung gedrückt. Somit kann die Reibkraft FR direkt bestimmt werden. Während des Versuches werden die gesamte auf das Werkzeug wirkende Zuhaltekraft sowie die Kräfte in der Trennebene des Werkzeuges an den in Bild 2 rot dargestellten Punkten gemessen. Aus der Differenz der Zuhaltekraft und der Summe der drei Kräfte in der Trennebene lässt sich durch Umrechnen auf die Rohrmantelfläche die Kontaktnormalkraft FN bestimmen. Aus Kenntnis der Reibkraft FR und der Kontaktnormalkraft FN ergibt sich nach dem Coulomb´schen Reibgesetz Fr = µ * Fn de Reibzahl µ.

Abbildung 2: Versuchstand zur Abbildung der Führungszone beim IHU
Abbildung 2: Versuchstand zur Abbildung der Führungszone beim IHU

Versuchstand – Übergangszone

Zur Untersuchung der Übergangszone wurde der in [Abbildung 3] dargestellte Versuchstand aufgebaut. Das Werkzeug besteht aus vier senkrecht übereinander angeordneten Teilen: Zwischen der Ober- und Unterplatte befinden sich die beiden Übergangszonenwerkzeuge, in denen das Werkstück umgeformt wird. Dazu ist in die zwei Werkzeugplatten die Kontur zweier, sich zu einem „T“ treffender Rohre eingearbeitet. Beim Ausformen des T-Stücks fließt das Rohrmaterial an der Prüfkopfspitze entlang und überträgt dabei die Kräfte auf die 4-Komponenten Kraftmessdose. Aufgenommen werden zum einen die drei orthogonalen Kräfte und das Moment um die Hochachse. Dadurch ist es möglich die Belastungen in der Übergangszone beim Ausformen des T-Stückes zu erfassen. Mit Hilfe eines geeigneten mathematischen Modells lassen sich aus den gemessenen Kräften Reibzahlen bestimmen.

Abbildung 3: Versuchstand zur Abbildung der Übergangszone beim IHU
Abbildung 3: Versuchstand zur Abbildung der Übergangszone beim IHU

Versuchstand – Aufweitzone

Der Reibversuchstand zur Untersuchung der Führungszone wurde so modifiziert, dass damit auch die Aufweitzone abgebildet werden kann [Abbildung 4]. Hierbei wird ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 48 mm in einem Werkzeug mit einem Innendurchmesser von 60 mm zunächst durch Wirkung des Innendruckes partiell aufgeweitet und anschließend analog zum Versuchsablauf beim Führungszonenversuchstand durch das Werkzeug geschoben. Die Abdichtung gegenüber dem Wirkmedium wird auch hierbei durch ein in den Dichtstempel integriertes O-Ring-System gewährleistet. So wird vermieden, dass zusätzliche Kräfte durch die Abdichtung die Reibkraftmessung verfälschen. Um die partielle Aufweitung realisieren zu können wird das Rohr zwischen dem Dichtstempel und einem Aufweitungsring platziert.

Abbildung 4: Versuchstand zur Abbildung der Aufweitzone beim IHU
Abbildung 4: Versuchstand zur Abbildung der Aufweitzone beim IHU

Danksagung

Das PtU bedankt sich bei folgenden Firmen für die finanzielle Unterstützung der Untersuchungen:

Das PtU bedankt sich bei folgenden Firmen für die finanzielle Unterstützung der Untersuchungen:
ArvinMeritor Exhaust GmbH,
Balzers Verschleißschutz GmbH,
DaimlerChrysler AG,
Dörrenberg Edelstahl GmbH,
Fischer Edelstahlrohre GmbH,
FUCHS EUROPE Schmierstoffe GmbH & Co. KG,
Schuler Hydroforming GmbH & Co.,
Volkswagen AG.