Verfahren und Vorrichtung zur Eignungsprüfung eines zur spanlosen Verformung bestimmten Materials
Die ständig wachsenden Anforderungen an die Verarbeitbarkeit von Feinblechen im Tiefzug und im Stanzvorgang nötigen den Hersteller, alle Wege durch Versuche zu prüfen, die geeignet sind, die Tiefziehmaterialien den gestellten Anforderungen anzupassen.
Für Tiefzieh- oder zu Stanzzwecken vorgesehene Bleche erkannte man als besonders bedeutungsvoll für eine qualifizierte Verarbeitung folgende Komponenten:
1. Analyse (Kohlenstoffgehalt, Reinheitsgrad sowie Begleitelemente zur Verhinderung der Alterung),
2. Korngrösse und Kornform,
3. Streckgrenze (numerischer Wert und insbesondere Ausbildung des Streckgrenzenbereichs).
Daneben erkannte man aber in steigendem Masse den Einfluss der Mikrooberfläche auf das Tiefziehverhalten, der in ungünstigen Fällen so weit gehen kann, dass bei vorgegebenen optimalen sonstigen Eigenschaften ein qualifiziertes Tiefziehen kaum möglich ist.
Man versuchte bis heute, das durch eine Abtastung und Aufzeichnung gewonnene Bild des Oberflächenprofils und daraus sich ergebende Masszahlen (Rauhigkeitswerte) in Beziehung zum späteren Verhalten im Tiefziehen zu setzen. Dies führte in der Praxis zu den widersprechendsten Ansichten und zu wechselhaften und nicht reproduzierbaren Ergebnissen. Eine Erklärung für diese Tatsache findet man bei einer analytischen Betrachtung der Reibungsvorgänge, wie sie beim Tiefziehen vorliegen.
Zusammengefasst ergibt sich danach der Mechanismus der Reibung wie folgt:
1. Die beiden im Tiefzug in Berührung stehenden Körper sinken unter entsprechendem Druck soweit ineinander ein, bis genügend tragende Spitzen der beiden Oberflächenprofile ein statisches Gleichgewicht herstellen.
2. Bei nachfolgendem Angriff einer Horizontalkraft werden sie schliesslich gegeneinander verschoben. Die hierbei notwendigen Kräfte setzen sich zusammen aus Scherkräften, die durch das Abscheren auf einander ruhender Spitzen mit entsprechender Haftung bedingt sind, und aus Schnittkräften, die durch das Hindurchziehen der einen Oberfläche durch die andere entstehen. Hierbei erfolgt ein weiteres Einsinken der beiden in Berührung stehenden Körper.
Unter Beachtung dieser Gegebenheiten werden die Unzulänglichkeiten in vorbekannten oben beschriebenen Messverfahren für eine Beurteilung im Tiefzug deutlich. Durch eingehende, der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen wurde nun festgestellt, dass für ein zum Tiefziehen am besten geeignetes Material eine ganz bestimmte Ober flächencharakteristik erforderlich ist. Diese Oberflächencharakteristik wird sowohl bestimmt durch die geometrische Gestaltung des Oberflächenprofils als auch durch die technologischen Eigenschaften desselben, d. h. eine sinnvolle Charakteristik muss immer diese beiden Komponenten beinhalten. Die Charakteristik einer zur spanlosen Formgebung, insbesondere im Tiefzug am besten geeigneten Oberfläche ist danach durch folgende Kennzeichen bestimmt:
1.
Die geometrische Gestaltung und Aufgliederung des Oberflächenprofils in eine möglichst grosse Zahl gleichmässig verteilter, schlanker Spitzen, derart, dass bei zunehmendem Abstand der Profilschnitte von der Hüllinie die Zunahme des Traganteils verhältnismässig gering ist.
2. Das Material des Oberflächenprofils muss eine so gute Verformbarkeit, d. h. entsprechend geringe Werte von Streckgrenze, Festigkeit und Härte aufweisen, dass das Werkzeug bei dem angewendeten Druck verhältnismässig tief in das Oberflächenprofil einsinkt, hierbei dieser Druck von einer Vielzahl von gleichmässig verteilten, durch die Verformung abgeplatteten Spitzen aufgenommen wird, und die zum Durchziehen der beiden unter Druck stehenden Oberflächenprofile erforderlichen Kräfte verhältnismässig gering sind.
Aus dieser Oberflächencharakteristik ergibt sich, dass der Eindringweg des Werkzeuges in das Oberflächenprofil in Abhängigkeit vom Druck sowie auch die zum Verschieben des Materials unter dem druckbelasteten Werkzeug erforderliche Kraft für das Tiefziehverhalten von massgebender Bedeutung sind.
Von dieser Erkenntnis ausgehend, besteht das Prüfverfahren nach der Erfindung darin, dass ein ebenflächiger Materialprüfling von einem Stempel mit einer ebenen Bezugsdruckfläche so belastet wird, dass diese Druckfläche nur in das durch die Rauhigkeit bestimmte Oberflächenprofil des Prüflings eindringt und dieses verformt, wenn die Belastung von Null bzw. einem geringen Vordruck bis zu einem maximalen Druck variiert wird, und dass in Abhängigkeit vom Druck der Eindringweg der beiden in Wechselwirkung stehenden Oberflächen gemessen wird.
Zweckmässig wird weiterhin nach der Messung des Eindringwegs unter dem maximalen Druck dieser aufrechterhalten und auf den Materialprüfling eine ansteigende, das Verschieben des Prüflings gegenüber der Bezugsdruckfläche einleitende, senkrecht zum Druck stehende Kraft ausgeübt und der weitere Eindringweg der in Wechselwirkung stehenden Oberflächen sowie auch die zur Einleitung der Verschiebung erforderliche Kraft gemessen. Diese Messwerte bzw. noch vorteilhafter die aus diesen Werten gewonnenen Kurven können dann mit den Ziehergebnissen verglichen werden. Es ist auf diese Weise also möglich, mit diesem Prüfverfahren das Verhalten eines Materials bei spanloser Verformung, insbesondere dessen Tiefziehverhalten, im voraus eindeutig festzustellen.
Das Prüfverfahren nach der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung in einem Beispiel näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 verschiedene Oberflächenprofile von Verarbeitungsproben,
Fig. 2 die Abhängigkeit der Ziehergebnisse vom Traganteil der in Fig. 1 gezeigten Oberflächenprofile,
Fig. 3 die schematische Darstellung einer Prüfvorrichtung nach der Erfindung zur Aufnahme von Oberflächencharakteristiken und
Fig. 4 und 5 mit dieser Prüfvorrichtung ermittelte Oberflächencharakteristiken unter Berücksichtigung des Ziehverhaltens.
In Fig 1 sind verschiedene Oberflächenprofile 1-7 mit den zugehörigen Rauhigkeitswerten dargestellt. Es handelt sich hier um Tiefziehbleche mit annähernd gleichen technologischen Eigenschaften, mit denen Tiefziehversuche (Herstellung eines schwierigen Tiefziehteils in einem Zug) ausgeführt wurden.
Die Ziehergebnisse in Abhängigkeit von Traganteil sind in Fig. 2 veranschaulicht.
Fig. 1 und 2 lassen erkennen, wie die Ziehergebnisse von der Geometrie der Oberfläche, insbesondere von der Zunahme des Traganteils mit wachsendem Abstand zwischen Profilschnitt und Hüllinie abhängen. Setzt man voraus, dass die technologischen Eigenschaften der verglichenen Profile gleich sind, wie das bei dem Versuchsmaterial anzunehmen sein dürfte, so entspricht eine mit Tieferlegen des Profilschnittes nur geringe Zunahme des Traganteils einer weichen Charakteristik, eine mit wachsendem Abstand Profilschnitt-Hüllinie starke Zunahme des Traganteils einer harten Charakteristik. Unter diesen Voraussetzungen sinkt bei gleichem Druck ein Werkzeug in die Oberflächen 5-7 tiefer ein als in die Oberflächen 1-3, bis der zur Aufnahme eines bestimmten Druckes erforderliche Traganteil erreicht wird.
In Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, wie eine mit den Profilen 1-3 in Berührung gebrachte Oberfläche sofort grosse tragende Flächenelemente vorfindet in dementsprechend unregelmässiger Verteilung über die gesamte Oberfläche. Bei bestimmtem Druck erfolgt hier nur das geringe Einsinken, da die tragenden Flächenelemente zur Aufnahme des Druckes nach diesem geringen Einsinkweg bereits ausreichen. Die Profile 5-7 in Fig. 1 und 2 erfordern hingegen das tiefere Einsinken der in Berührung stehenden Oberfläche, bis die tragenden Flächenelemente zur Aufnahme des Druckes ausreichen. Der Gestalt dieser Oberflächenprofile 5-7 entsprechend erfolgt dabei die Flächenberührung auf vergleichsweise gleichmässig über die Gesamtfläche verteilten Elementen.
Durch eine solche gleichmässige Verteilung der den Druck aufnehmenden Flächenelemente sind auch die Angriffspunkte der einer Verschiebung der in Berührung stehenden Körper entgegenwirkenden Kräfte ebenso gleichmässig über die Gesamtfläche verteilt. Im Gegensatz dazu können die Reibungskräfte bei den Oberflächen 1-3 nur an den verhältnismässig grossen vereinzelten Flächenelementen in ungleicher Verteilung über die Oberfläche angreifen. Dies hat ein ungünstiges Verhalten des Materials im Tiefzug zur Folge. Entweder tritt infolge der ungleichmässigen Flächenberührung Faltenbildung auf oder eine Drucksteigerung des Faltenhalters zum Zwecke einer gleichmässigeren Auflage des Faltenhalters auf der Blechoberfläche muss so weit gehen, dass die erforderli- chen Verformungskräfte beim Ziehen zu einem Reissen des Materials führen.
Wird nun abweichend zu den betrachteten Profilen der Fall angenommen, dass die technologischen Eigenschaften der Profile verschieden sind, so reicht eine vergleichende Betrachtung der Profile in ihrer Geometrie zur Beurteilung ihres Verhaltens unter den im Tiefzug auftretenden Kräften nicht mehr aus. So kann beispielsweise bei genügender Plastizität der Profile der Oberflächen 1-3 eine unter Druck mit diesen Profilen in Berührung gebrachte Oberfläche verhältnismässig tief einsinken und damit eine ausreichend gleichmässige Auflage finden, während unter der Voraussetzung eines sehr stark verfestigten Profilmaterials bei den Oberflächen 5-7 nur ein geringes Einsinken der mit diesen Profilen in Berührung stehenden Oberfläche unter Druck erfolgen wird.
Es geht aus den dargelegten Betrachtungen die Bedeutung einer Oberflächencharakteristik, die aus beiden Komponenten, nämlich Geometrie und technologische Eigenschaften des Profils, besteht, zur einwandfreien Beurteilung einer Oberfläche in bezug auf ihre Eignung im Tiefziehen hervor.
In Fig. 3 ist nun schematisch eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Prüfverfahrens dienende Vorrichtung, die eine Aufnahme der Oberflächencharakteristik ermöglicht, gezeigt. Diese besteht aus einem beweglichen, mit einstellbarem Druck belasteten Druckstempel 10, der eine Bezugsdruckfläche 11 aufweist, und einem feststehenden Auflagestempel 12, dessen Bezugsdruckfläche 13 zweckmässig die gleiche Grösse hat wie die Bezugsdruckfläche 11 des Druckstempels. Die Bezugsdruckflächen 11, 13 die zweckmässig auswechselbar sind, entsprechen in bezug auf Material und Bearbeitung dem zur spanlosen Verformung dienenden Werkzeug, beim Tiefziehen also dem Faltenhalter. Gegebenenfalls können jedoch auch diese Bezugsdruckflächen eine völlig glatte und ausserordentlich harte Oberfläche aufweisen (z.
B. aus Hartmetall hergestellt sein), um bei Anwendung des erfindungsgemässen Prüfverfahrens absolute Werte zu erhalten. Diese ;Bezugsdruckflächen 11 bzw. 13 sind für einen gegebenen Druck in ihrer Grösse so bemessen, dass ein Eindringen derselben nur in das Oberflächenmaterial des Prüflings, jedoch nicht in dessen Grundmaterial eintritt.
Zwischen Druckstempel und Auflagestempel wird der Prüfling 14, z. B. ein Tiefziehblech eingelegt, wobei dann der Druckstempel 10 auf den Prüfling einwirkt. Bei der gezeigten schematischen Darstellung ist eine genau einstellbare Belastung des Druckstempels ]0 möglich, indem ein Belastungsgewicht 14 auf einem um die Achse 15 schwenkbarem Waagebalken 16 verschoben bzw. an einer Skala 17 eingestellt wird. Der Prüfling wird also von Null bzw. einer bestimmtenVorlast bis zu dem eingestellten Wert druckbelastet. Um ein sicheres Aufliegen des Prüflings zwischen Druck- und Auflagestempel zu gewährleisten, kann bei Beginn der Prüfung die erwähnte gewisse Vorlast eingestellt sein.
In Abhängigkeit von der Druckbelastung wird nun mit der dargestellten Vorrichtung der Mikroweg gemessen den der Druckstempel 10 bis zur Erreichung der eingestellten Last an Eindringtiefe zurücklegt. Zu diesem Zweck ist bei dem schematischen Ausführungsbeispiel ein um die Achse 18 schwenkbarer Spiegel 19 vorgesehen, der sich mit einer Schneide 20 am feststehenden Druckstempel 12 abstützt. Die Drehachse 18 des Spiegels ist in einem Lagerblock 21 gelagert, der fest mit dem Druckstempel 10 verbunden ist. Der von einer Lichtquelle 22 ausgehende Strahl 24 wird vom Spiegel auf eine Skala 23 geworfen, an welcher der Eindringweg ablesbar ist. Der bei Beginn der Messung (Null oder Vorlast) auf die Skala treffende Lichtstrahl ist bei 24 und der am Ende der Messung auf die Skala geworfene Lichtstrahl ist bei 24a angedeutet.
Bei der Eignungsprüfung für Tiefziehmaterial wird nicht nur der Eindringweg s in Abhängigkeit von der durch das eingestellte Gewicht 14 erzeugten Druckkraft P des Druckstempels 10 gemessen, sondern auch noch das Verhalten des Prüflings 14, wenn dieser unter Drucklast noch mit einer Horizontalkraft H zwischen den Stempeln 10 und 12 zum Gleiten gebracht wird. Nach der Zeichnung greift diese Kraft H iiber eine Skala 25 und eine Zugfeder 26 an einem den Prüfling 14 haltenden Spannbacken 27 an. Die jeweilige Schubkraft H ist an der Skala 25 an einem mit dem Spannbacken 27 fest verbundenen Zeiger 28 ablesbar.
Nachdem unter der Drucklast P die entsprechenden Auflagepunkte 8 (Fig. 1) ein dem Druck entsprechendes statisches Gleichgewicht herstellen, und ein bestimmter Eindringweg s erreicht ist, wird die an den Prüfling angelegte Horizontalkraft H so weit gesteigert, bis eine Verschiebung zwischen den Druckstempeln 10, 12 eintritt. Im Augenblick dieser Verschiebung muss nach der Theorie (Zusammenwirken von Druck- und Scherkraft) ein weiteres Einsinken des Stempels 10 in das Oberflächenprofil des Prüflings erfolgen. Diese Vergrösserung des Eindringwegs wird an der Skala 23 gemessen, desgleichen auch die entsprechende Grösse der Schubkraft H an Skala 25.
Vorteilhaft wird der Eindringweg s' in Abhängigkeit von der ansteigenden Druckkraft P bzw. bei aufrechterhaltenem Druck in Abhängigkeit von der ansteigenden Schubkraft H gemessen und in einer Kurve aufgezeichnet, die dann in Beziehung zum Ziehergebnis gesetzt wird. Solche qualitativen Kurven, die der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 3 entsprechen, sind in Fig. 4 und 5 gezeigt. Auf der Ordinate 29 ist der Eindringweg s aufgetragen. Auf der Abszisse 30 sind rechts von der Ordinate die Druckkräfte P aufgetragen, die entsprechend gewählt werden, und wie aus den Kurven ersichtlich, von rechts nach links kommend an der Ordinate die ge wählte Höchstlast erreichen.
Auf dem linken Teil der Abszisse sind die Schubkräfte H aufgetragen, die bei Erreichen der vorgesehenen Drucklast nötig sind, um eine Verschiebung des Prüflings herbeizuführen. Der den beiden Kräften P und H zugeordnete Eindringweg ist dann in seiner Gesamtheit an den Kurven ablesbar. Die Ordinate gibt den Eindringweg in j an.
Nach einer entsprechenden Versuchsreihe, die Kurvenverlauf und Ziehergebnis beinhaltet, werden dann Gebiete begrenzt, die kein Ziehen (bzw. Reissen), Ziehen mit Falten und gutes Ziehen umfassen.
Diese Gebiete sind in Fig. 4 und 5 eingetragen. Aus der Zeichnung geht hervor, dass bei zu geringem Eindringweg s Faltenbildung eintritt bzw. dieser Eindringweg die Grösse s erhalten muss, um ein gutes Ziehen ohne Faltenbildung zu ermöglichen. Ein Reissen des Ziehmaterials tritt andererseits ein, wenn eine zu grosse Schubkraft H auf den Prüfling wirkt bzw. die Schubkraft H 1 überschritten wird. Nach Erhalt dieser bestimmten Gebiete für Falten, Reissen und gutes Ziehen wird anschliessend eine einfache Messung mit dem erfindungsgemässen Prüfverfahren bzw. der Prüfvorrichtung Aufschluss geben können, welche Erscheinung im Tiefziehen der geprüften Oberfläche zugeordnet sein wird, d. h. es kann das Verhalten des Prüflings bei spanloser Verformung, insbesondere dessen Tiefziehverhalten im voraus eindeutig bestimmt werden.
In Fig. 4 sind mit den Kurven 1/2, 4 und 5/6/7 verschiedene Fälle des Oberflächenverhaltens herausgegriffen, die etwa den Oberflächenprofilen 1/2, 4 und 5/6/7 der Fig. 1 entsprechen, wobei Materialien mit gleichen technologischen Werten, insbesondere im Oberflächenprofil, vorausgesetzt sind.
Die Kurve 1/2 entspricht einer glatten Oberfläche, die unter Druck nur wenig nachgibt und somit einen geringen Eindringweg zulässt, der sich auch bei Anlegen der Schubkraft H nicht mehr wesentlich vergrössert. Diese Kurvencharakteristik bedeutet, dass ein einwandfreies Ziehen nicht möglich ist. Eine Drucksteigerung, die eine genügende Gleichmässigkeit der Berührung zwischen Werkzeug- und Materialoberfläche herbeiführen würde, müsste so gross sein, dass ein Reissen im Tiefzug auftreten würde.
Dies ist in Fig. 5 mit der Kurve 1"/2" bei einer Drucksteigerung auf P 4 veranschaulicht.
Die Kurve 4 betrifft ein Material mit einer mittleren Charakteristik (Profil 4, Fig. 1). Durch das Zusammenwirken von Druck- und Scherkräften ist ein Eindringen der Bezugsoberfläche in die Oberfläche des Prüflings gegeben, das ausreicht, einen Tiefzug unter geringer Faltenbildung noch zu ermöglichen.
Eine Erhöhung des Eindringweges s und damit eine grössere Gleichmässigkeit der Auflage, die zum vollständigen Unterdrücken der Faltenbildung erforderlich ist, wird bei einer Steigerung des Faltenhalterdruckes bzw. Prüfdruckes erreicht.
Fig. 5 zeigt, wie durch eine solche Drucksteigerung auf P 3 der Eintritt der Kurve 4' in den Bereich guter Tiefziehbarkeit erreicht wird.
Schliesslich wird im Verlauf der Kurve 5/6/7 die Oberflächencharakteristik eines Materials gezeigt, das hinsichtlich seiner Oberfläche als für den Tiefzug gut geeignet bezeichnet werden kann.
Kurve 5a/6a/7a zeigt das Verhalten eines sehr weichen Materials mit geringer Streckgrenze und Fe stigkeit, insbesondere im Oberflächenprofil. Unter der vorgegebenen Druckkraft P 1 ergibt sich zwar ein grosser Eindringweg s, ähnlich der Kurve 5/6/7. Die
Bezugsoberfläche wird jedoch durch die Masse des
Grundmaterials unter solchen Schubkräften H hin durchgeführt werden müssen, die über der Zugfestigkeit des Materials liegen, wodurch ein Reissen erfolgt. In Fig. 5 ist nun gezeigt, wie unter Umständen durch eine Verminderung des Faltenhalterdrucks auf P 2 auch in diesem Fall noch ein gutes Tiefziehen möglich sein kann, wie in der Kurve 5aV6a'/7a' ver- anschaulicht.
Die aufgezeigten und besprochenen Möglichkeiten bzw. Kurven stellen natürlich nur Einzelfälle einer grossen Anzahl von Möglichkeiten dar, die jedoch alle in der beschriebenen Messung und Darstellung der Oberflächencharakteristik durch das erfindungsgemässe Prüfverfahren ihre Erklärung oder Deutung finden.
Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht nur zur Eignungsprüfung von Tiefziehmaterial bestimmt, sondern kann gegebenenfalls auch zur Eignungsprüfung von Material für eine andere spanlose Verformung, z. B. Stanzarbeiten, angewendet werden. Das Prüfverfahren ist ferner nicht auf Metalle beschränkt, sondern kann gegebenenfalls auch zum Prüfen der Oberflächencharakteristik von Kunststoffen benutzt werden.
Gegebenenfalls ist das Verfahren auch dann anwendbar, wenn das Material bei der spanlosen Verformung nur Druckkräften, also keinen zusätzlichen Schubkräften unterworfen wird. So kann das Prüfverfahren auch für die Oberflächenprofil-Härtemessung benutzt werden, z. B. für die Lagertechnik (Gleit- und Wälzlager). In diesem Fall genügt die Messung des Eindringweges nur unter Druckkräften.