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Oberflächenbehandlung von Umformwerkzeugen durch Festklopfen

Wied, Johannes :
Oberflächenbehandlung von Umformwerkzeugen durch Festklopfen.
TU Darmstadt / Werkstoffkunde
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Oberflächenbehandlung von Umformwerkzeugen durch Festklopfen
Language: German
Abstract:

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Festklopfverfahren zur Oberflächenbehandlung von karosserietechnischen Umformwerkzeugen untersucht. Es war das Ziel, den Einfluss der Prozessparameter auf die Oberflächen- und Randschichteigenschaften metallischer Werkstücke zu ermitteln. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen wurden geeignete Parameterkombinationen für die Festklopfbearbeitung realer Umformwerkzeuge abgeleitet, um damit das wirtschaftliche und technische Potential des Verfahrens als Ersatz für das bisher eingesetzte manuelle Oberflächenfinish umzusetzen. An die Oberflächengüte von Ziehwerkzeugen für die Herstellung von Karosserie¬blechteilen werden hohe Anforderungen gestellt. Die Funktionsflächen sollten eine definierte Oberflächenstruktur besitzen, um eine gleichbleibende Qualität der produzierten Bauteile zu gewährleisten und Verschleißerscheinungen des Werkzeugs zu minimieren. Deshalb wird momentan das Festklopfverfahren erprobt, um das bisher eingesetzte zeit- und kostenintensive manuelle Oberflächenfinish nach der Fräsbearbeitung von Ziehwerkzeugen zu reduzieren. Das Festklopfverfahren gehört zur Gruppe der mechanischen Oberflächen¬behandlungen und befindet sich aktuell im Entwicklungsstadium. Bislang wurden weder Erfahrungen mit der Festklopfbearbeitung realer Umformwerkzeuge noch quantitative Zusammenhänge zur Bestimmung geeigneter Prozessparameter veröffentlicht. Die Effekte mechanischer Oberflächenbehandlung (Erzeugung oberflächennaher Druckeigen¬spannungen, Kaltverfestigung der Randschicht, Einglättung bzw. Strukturierung der Oberfläche) resultieren aus der plastischen Verformung der Werkstückrandschicht beim Kontakt mit dem Werkzeug. Im Sinne der Zielsetzung dieser Arbeit wurden bekannte kontaktmechanische Zusammenhänge recherchiert, experimentelle Untersuchungen und FEM-Simulationen durchgeführt, um den Einfluss und die Wechselwirkungen der zahlreichen Festklopfparameter aufzuklären. Die Untersuchungen ergaben, dass ein Zielkonflikt zwischen der Einglättungs- und Verfestigungswirkung bei der Wahl der Parameter für die Festklopfbearbeitung existiert. Um eine optimale Einglättung zu erreichen, muss die Aufprallenergie genau so eingestellt werden, dass sie zur Einebnung der Fräsriefen ausreicht und nicht zur Erzeugung ausgeprägter Materialanhäufungen zwischen den Klopfbahnen führt. Wenn dagegen die Verfestigung im Fokus der Festklopfbearbeitung steht, ist eine möglichst große Aufprallenergie zu wählen. Ein geringer Abdruckabstand steigert sowohl die Einglättungs- als auch die Verfestigungswirkung der Festklopfbearbeitung zu Lasten einer langen Bearbeitungsdauer. Die Wahl der Prozessparameter stellt also einen Kompromiss aus Einglättung, Verfestigung und Bearbeitungsdauer dar. Aus den Ergebnissen der durchgeführten Experimente und Simulationen wurden grundlegende Zusammenhänge zur Bestimmung der Prozessparameter in Bezug auf die Bearbeitungsaufgabe für ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis abgeleitet. Die Eignung des Festklopfverfahrens für das Oberflächenfinish von Umformwerkzeugen und die Gültigkeit der vorgestellten Beziehungen wurden durch Produktionsversuche an realen Ziehwerkzeugen verifiziert. Mit den festgeklopften Ziehwerkzeugen ließen sich nach stark verringerter manueller Nacharbeit einwandfreie Karosseriebauteile herstellen. Insgesamt wurden die Durchlaufzeit und die Bearbeitungskosten im Vergleich zum konventionellen Prozess erheblich reduziert und technologische Vorteile wie die Erhöhung der Randschichthärte nachgewiesen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present study deals with the surface treatment of sheet metal forming dies by machine hammer peening. It was the goal of the investigation to identify the influence of the process parameters on the surface and edge layer properties of metal work pieces. The results of the fundamental investigations were used to retrieve appropriate parameters for the surface treatment of real production dies in order to benefit from the advantages of machine hammer peening compared to the common manual surface finish process. The surface quality of sheet metal forming dies is essential for the production of car body components. The regions of the die that are in contact with the sheet metal part during the deep drawing operation need to have a defined surface structure to meet the quality demands on the produced part and to reduce wear. For this reason machine hammer peening is momentarily tested in order to replace the time and money consuming manual surface finish process for deep drawing dies. Machine hammer peening is a mechanical surface treatment that is currently under development to be used for automotive stamping operations. Neither results from the treatment of real production dies nor quantitative models to control the process parameters have been published so far. The common effects of mechanical surface treatment (near surface compressive residual stresses, work hardening, surface smoothing or texturing) result from the plastic deformation of the work piece during contact with the peening tool. A survey of applicable contact mechanics, impact experiments and finite element analysis of the machine hammer peening process have been conducted to meet the goal of this study by finding the basic correlations of the process parameters and the alteration of surface or rather edge layer properties. These investigations did show that it is not possible to find a set of machine hammer peening parameters that gives a very smooth surface and high degree of cold working at the same time. In order to achieve a high surface roughness reduction a medium amount of impact energy has to be applied for sufficient flattening of the surface asperities without producing severe material pile-up. If instead a high degree of cold working is the main goal of the treatment a high amount of impact energy is needed. Only the choice of a small indentation distance improves the surface smoothing as well as the cold working effect of machine hammer peening at the expense of prolonged treatment duration. Therefore the selection of process parameters is always a compromise between smoothing effect, degree of cold working and treatment duration. The basic correlations to control the machine hammer peening process in order to perform a given task at shortest treatment duration and therewith lowest costs were retrieved from the results of the conducted impact experiments and finite element analysis. The applicability of machine hammer peening for the surface treatment of real metal forming dies and the validity of the presented correlations were verified by production experiments. Sound car body components were produced with hammer peened deep drawing dies that were hardly manually finished. The overall costs and lead time for the manufacturing of metal forming dies was strongly reduced by the application of machine hammer peening. Also technological advantages like an increase in edge layer hardness were proved.English
Uncontrolled Keywords: Festklopfen, mechanische Oberflächenbehandlung, inkrementelles Kaltschmieden, Oberflächenfinish, Oberflächeneinglättung, Kaltverfestigung, Druckeigenspannungen, Umformwerkzeuge, Blechumformung, Aufprallexperimente, Aufprallsimulation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Festklopfen, mechanische Oberflächenbehandlung, inkrementelles Kaltschmieden, Oberflächenfinish, Oberflächeneinglättung, Kaltverfestigung, Druckeigenspannungen, Umformwerkzeuge, Blechumformung, Aufprallexperimente, AufprallsimulationGerman
machine hammer peening, mechanical surface treatment, incremental cold forging, surface finish, surface roughness reduction, cold working, compressive residual stresses, sheet metal forming dies, impact experiments, impact simulationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Werkstoffkunde
Date Deposited: 24 May 2011 07:09
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24873
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Berger, Prof. Dr.- Christina and Groche, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 15 December 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2487
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