Wear control in sheet metal forming – detection and life span estimation

In sheet metal forming, tool wear is more and more affecting production efficiency due to the increased usage of high strength sheet materials and tighter product tolerances. For this reason, it is necessary to develop a reliable wear control method for forming tools. The development of wear detection and prediction methods as well as a better understanding of the influencing factors of wear are key elements for an effective wear control. The first part of the dissertation focuses on a novel method for inline wear detection of the forming tool through thermoelectric current. This sensorless measuring method is able to detect severe wear of coated and uncoated tools effectively. It has also the potential for application in actual sheet metal forming processes such as deep drawing and ironing. The reliability, influencing factors, sensitivity and reproducibility of the measurement method were discussed. In addition to wear detection, a method of tool life estimation for forming tools is the second key factor for optimizing the production efficiency. The wear resistance analysis using the load-dependent wear resistance diagram (WRD), which originates from the "S-N curve", enables the life estimation of a tribological system with limited data of the tool life. In the second part of the thesis, other influencing factors such as tool hardness, tool surfaces and pre-straining of the sheet metal on tool life are discussed. The WRDs for these influencing factors are derived accordingly. However, the derived WRD is only composed of points, which make it difficult to quantitatively estimate tool life and its uncertainties at all load levels. For a broader application of the wear resistance analysis, wear resistance curves (VRC) are needed. In the third part of the thesis the derivation of WRC for coated and uncoated tools is presented. The whole analysis procedure of tool life estimation is illustrated by two application cases of actual forming processes.

In der Blechumformung nimmt der Werkzeugverschleiß aufgrund der vermehrten Nutzung von höherfesten Blechwerkstoffen und engeren Bauteiltoleranzen zunehmend Einfluss auf die Produktionseffizienz. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Verschleiß von Umformwerkzeugen zuverlässig zu steuern. Dafür sind Methoden zur Verschleißdetektion und –vorhersage sowie ein besseres Verständnis von Einflussfaktoren auf den Verschleiß erforderlich. In ersten Teil der Dissertation geht es um eine Methode der inline Verschleißdetektion an Umformwerkzeugen auf Basis von thermoelektrischen Strömen. Diese sensorlose Messmethode ist in der Lage, schweren Verschleiß von beschichteten und unbeschichteten Werkzeugen zuverlässig und frühzeitig zu detektieren. Das birgt das Potenzial zur Anwendung in realen Prozessen wie Tiefziehen und Abstreckgleitziehen von Blechen. Zuverlässigkeit, Einflussfaktoren, Sensibilität und Reproduzierbarkeit der Messmethode werden diskutiert. Neben der Verschleißdetektion ist das Verfahren zur Standzeitabschätzung für Umformwerkzeuge der zweite Schlüssel zur Verbesserung der Produktionseffizienz. Die Verschleißfestigkeitsanalyse durch das lastabhängige Verschleißfestigkeitsdiagramm (VFD), das Anleihen bei der “Wöhlerlinie” nimmt, bietet die Möglichkeit, die Standzeiten eines tribologischen Systems mit begrenzten Daten über Standzeiten abzuschätzen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden Einflüsse von Werkzeughärten, -oberflächen und Vordehnungen des Bleches auf die Werkzeugstandzeit diskutiert. Die VFDe von diesen Einflussfaktoren sind entsprechend abgeleitet. Die ermittelten VFD bestehen jedoch lediglich aus Streupunkten. Mit diesen können noch nicht die Standzeiten und deren Unsicherheiten bei allen Lastniveaus quantitativ vorausgesagt werden. Für einen breiteren Anwendungsbereich der Verschleißfestigkeitsanalyse ist vielmehr die Ableitung von Verschleißfestigkeitskennlinien (VFK) erforderlich. In dritten Teil der Dissertation wird die Ableitung der VFK für beschichtete und unbeschichtete Werkzeuge vorgestellt. Das vorgeschlagene Verfahren zur Standzeitabschätzung wird anhand von zwei realen Umformprozessen validiert.