Weniger Zinkabrieb im Presswerkzeug

Science

Beim Tiefziehen verzinkter Bleche lässt sich qualitätsmindernd wirkender Zinkabrieb nicht ganz vermeiden. Das UTG der Technischen Universität München hat untersucht, wie man ihn zumindest verringern kann.

06. Juni 2014

Durch den Trend zum korrosionsgeschützten Leichtbau, der zum zunehmenden Einsatz verzinkter höher- bis höchstfester Stahlsorten führt, kommt es infolge der hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen beim Tiefziehen unter anderem zu verstärktem Zinkabrieb und Zinkanlagerungen in den Werkzeugen. Neben der Prozesssicherheit in der Serienfertigung gefährdet dieser Zinkabrieb auch die Bauteilqualität, da sich lose Zinkpartikel durch Oberflächenfehler wie Druckstellen im Werkstück bemerkbar machen können. Bisherige Untersuchungen beschreiben den Einfluss von Werkzeugoberfläche, Beölungszustand, Verzinkungsarten, Kontaktnormalspannung und Oberflächentexturen von Blech und Werkzeug auf die Anfälligkeit des tribologischen Systems in Bezug auf den Zinkabrieb. Trotz der untersuchten Parameter kann der Zinkabrieb nicht zufriedenstellend unterbunden werden und stellt in Presswerken ein großes Optimierungspotenzial dar.

Im Rahmen des Forschungsprojekts ›Minimierung von temperaturinduziertem Zinkabrieb in Umformwerkzeugen‹ des Instituts für Umformtechnik und Gießereiwesen (UTG) wurde der Einfluss der Temperatur auf den Zinkabrieb erstmals näher untersucht. Ziel war es, mit einer geregelten Temperaturführung während des Umformprozesses den Zinkabrieb merklich zu verringern. Hierfür wurde die Tiefziehstufe eines Folgeverbundwerkzeuges mit einem Temperiersystem ausgestattet. Als Kühl- und Heizmedium für die Matrize diente drucküberlagertes Leitungswasser. Die Temperiereinheit ist in der Lage, die Temperatur in der Matrize kontinuierlich zu messen und die Wassertemperatur der gewünschten Temperatur anzupassen, um eine konstante Werkzeugtemperatur zu ermöglichen. Bei den Versuchen wurden jeweils 2000 Hübe mit konstanter Temperatur durchgeführt. Hiernach wurde der innere Teil der Matrize ausgetauscht, um den Zinkabrieb zu quantifizieren. Dies erfolgte per totalreflektierender Röntgenfluoreszenz. Untersucht wurden die gebräuchlichen Werkzeug-Werkstoffe 1.2379, 1.2358 sowie der Gusswerkstoff GGG70L. Als Blechwerkstoff diente ein DX54D + Z140 (Dicke: 1,2 mm). Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Zinkmenge von den Werkzeug-Werkstoffen. GGG70L hatte bei den Versuchen den meisten Zinkabrieb, 1.2379 den geringsten.

Ferner ist eine Temperaturabhängigkeit der Absolutmenge an Zink erkennbar: je geringer die Temperaturen, desto geringer der Zinkabrieb. Durch ein integriertes Kühlsystem kann eine Verringerung der Absolutmenge an Zinkabrieb kostengünstig erreicht werden.

Im industriellen Maßstab überprüfte die Daimler AG, Werk Sindelfingen, die Ergebnisse im Betriebsmittelbau und im Presswerk. Hierfür wurde eine Konsole (Blechwerkstoff DC04, Blechdicke 1,75 mm, Feuerverzinkung Z100) in Streifenfertigung ausgewählt. Für die Serienproduktion bei 35 Hub/Minute wurden zwei neue Ziehmatrizen konstruiert. Das Werkzeug ist zur Doppelteilfertigung ausgelegt, wobei eine Ziehmatrize am Ziehradius temperiert wird und die zweite untemperiert bleibt. Beide Matrizen werden mit Isolierplatten vom Aufbau des Werkzeugs entkoppelt. Sensoren messen die Temperatur direkt am Matrizenradius. In einer Ziehmatrize verlaufen gebohrte Kanäle entlang des Matrizenradius, die an ein Temperiergerät angeschlossen und über die zentrale Wasserkühlung an der Presse betrieben werden. Die zweite Matrize des Doppelteils dient als Referenz und wurde lediglich mit einem Temperatursensor ausgestattet.

Die Matrize ohne Temperierung weist starke Temperaturschwankungen aufgrund produktionsbedingter Unterbrechungen (Coilwechsel und Pausen) auf. Die Temperierung der Matrize ermöglichte die Erwärmung zu Beginn der Abpressung und im Produktionsprozess eine Kühlung. Somit konnten Umgebungseinflüsse und Warmfahreffekte ausgeglichen werden. Außerdem werden die temperaturabhängige Viskosität des Schmierstoffes und die Wärmedehnung des Werkzeuges konstant gehalten.

Die Werkzeugtemperierung reduzierte den Zinkabrieb um 35 Prozent im Vergleich zur untemperierten Matrize.

P. Sachnik, Prof. Dr. W. Volk (utg); C. Bolay, Prof. Dr.-Ing. M. Klamser, R. Maier (Daimler)

Erschienen in Ausgabe: 04/2014