3 Zielsetzung und Vorgehensweise

Der Stand der Erkenntnisse (Kapitel 2) zeigt, daß der Topografie eine große Bedeutung für die Tribologie und damit für den Fertigungsprozeß Tiefziehen zugemessen wird. Die Möglichkeiten moderner Texturierungsverfahren können zur Zeit nicht voll genutzt werden, da nicht bekannt ist, welche geometrischen Eigenschaften der Topografie das tribologische Verhalten beeinflussen. Zusätzlich wird die Entwicklung von Blechtopografien erschwert, da Unklarheit über geeignete Kriterien zur Beurteilung von Topografien besteht. Wie der Stand der Erkenntnisse zeigt, lassen sowohl die tribologische Prüfung als auch die Vermessung der Topografie noch viele Fragen offen:

Welche Modell-Prüfmethode ist geeignet, die tribologischen Eigenschaften von Topografien zu beurteilen?

Muß ein Prüfprinzip gewählt werden, bei dem der Blechwerkstoff umgelenkt wird, um die stärkere Einglättung der Topografie bei plastifiziertem Grundwerkstoff zu berücksichtigen?
Welche Meßgrößen bieten auf den Realprozeß übertragbare Ergebnisse?

Welche Methoden zur Vermessung der Oberfläche ermöglichen, die Beurteilung des tribologischen Verhaltens?

Welche Oberflächenkenngrößen sind für die Beurteilung des tribologischen Verhaltens geeignet?
In welchem Umfang und wie ist die Wandlung der Oberfläche während der Umformung bei der Berechnung von Oberflächenkenngrößen zu berücksichtigen?

Voraussetzung zur Beantwortung dieser Fragen ist ein tieferes Verständnis der Wirkungsweise der Topografie.

Welche tribologischen Mechanismen wirken unter den Beanspruchungsbedingungen der Blechumformung?
Welche Eigenschaften der Topografie unterstützen welche tribologischen Mechanismen?
Unter welchen Bedingungen und in welcher Größenordnung können abgeschlossene Schmiertaschen zur Senkung der Reibung beitragen?
Unter welchen Bedingungen und in welcher Größenordnung wirken elasto- und plastohydrodynamische Effekte in der Blechumformung?
Wie kann man erklären, daß bei einigen Untersuchungen eine große Zahl schlanker deutlich einglättender Spitzen und bei anderen ein möglichst kleiner Feinspitzenbereich als günstig beurteilt wird?
Welche weiteren tribologischen Mechanismen sind zu berücksichtigen?

Zielsetzung
Ziel dieser Arbeit ist die Definition von Kriterien und Kenngrößen zur Beurteilung der tribologischen Eigenschaften von Blech-Topografien. Die Bewertung erfolgt anhand von Modellversuchen und Oberflächenkenngrößen.
Die Kriterien sollen es ermöglichen:

die Eignung von Topografien für das Tiefziehen mit einfachen Mitteln vor der Fertigung vorherzusagen.
das Potential moderner Texturierungsverfahren besser zu nutzen und tribologischen Eigenschaften von Blech-Topografien zu optimieren.
die Anforderungen an Bleche zwischen Blechhersteller und -verarbeiter eindeutig zu spezifizieren.

Vorgehensweise

Bild 11: Vorgehensweise zur Auswahl der Kriterien und Kenngrößen zur Beurteilung der Topografie im Hinblick auf die Reibung bei der Umformung

Beurteilung der Bedeutung der Topografie
Im ersten Schritt werden in Kapitel 4 Firmenbefragungen durchgeführt und in verschiedenen Projekten durchgeführte Reibversuche ausgewertet. Die Ergebnisse sollen klären, welches Potential zur Verbesserung des Umformprozesses die Topografie im Vergleich zu anderen Möglichkeiten bietet. Um das Potential nicht allein anhand eines in der Übertragbarkeit eingeschränkten Modellversuchs zu beurteilen, wird durch die Befragung zusätzlich die Erfahrungen von Experten berücksichtigt.

Entwicklung eines Reibmodells und Ableitung von Anforderungen an Topografien
Nach der Beurteilung der Bedeutung der Topografie erfolgt in Kapitel 5 die Untersuchung tribologischer Mechanismen, um daraus Modellvorstellungen über die Wirkungsweise der Topografie zu entwickeln. Es werden Anforderungen an die geometrischen Eigenschaften einer aus tribologischer Sicht günstigen Topografie abgeleitet. Die Oberflächenkenngrößen, mit denen diese als funktionsrelevant beurteilten Eigenschaften quantifizierbar sind, werden für die Beurteilung der Topografie ausgewählt.

Definition von Begriffen
Die aus dem Reibmodell ermittelten funtionsrelevanten Eigenschaften der Oberfläche lassen sich mit den üblichen Begriffen und Oberflächenkenngrößen nur unzureichend beschreiben. Deshalb werden in Kapitel 5.1 neue Begriffe und in Kapitel 7.1 neue Oberflächenkenngrößen definiert.

Experimentelle Untersuchungen
Um die Modellvorstellungen im Experiment zu überprüfen, sind zunächst eine geeignete tribologische Prüfmethode (Kapitel 6) und eine Oberflächen-Meßmethode (Kapitel 7) auszuwählen. Der Nachweis der Eignung der tribologischen Prüfmethode erfolgt in Kapitel 6.1 durch verschiedenen Voruntersuchungen.
In Kapitel 8 wird eine Versuchsreihe mit 16 Blechen unterschiedlicher Topografie durchgeführt, um die Bleche sowohl mit der tribologischen als auch mit der Oberflächenmeßmethode zu beurteilen.
Die experimentellen Daten werden für vier Arbeitsschritte benötigt:

Die aus dem Reibmodell abgeleiteten Anforderungen experimentell zu überprüfen
Einige der als funktionsrelevant beurteilen Eigenschaften der Topografie können mit mehreren Oberflächenkenngrößen beschrieben werden, die sich nur geringfügig unterscheiden. Welche dieser Kenngrößen zur Beurteilung besser geeignet sind, läßt sich anhand des Reibmodells nicht beurteilen. Die experimentellen Ergebnisse sollen klären, welche dieser Kenngrößen ausgewählt werden sollten.
Es wird untersucht, ob Zusammenhänge zwischen Oberflächenkenngrößen und tribologischen Kenngrößen bestehen, die das Reibmodell nicht beinhaltet.
Es sind keine Methoden bekannt, die es anhand von theoretischen Überlegungen ermöglichen, die Filterparameter auszuwählen. In Kapitel 8.4 wird deshalb experimentell untersucht, mit welchen Parametern die Meßdaten zu filtern sind.

Zusammenhänge zwischen Oberflächenkenngrößen und tribologischen Kenngrößen
Um Zusammenhänge aufzuzeigen, werden die mit verschiedenen Filtern berechneten Oberflächenkenngrößen in Diagrammen über den tribologischen Kenngrößen aufgetragen. Werden alle in Kapitel 7.1 ausgewählten 78 Oberflächenkenngrößen mit den 104 Filtern und Filterparametern aus Kapitel 7.4 berechnet und über den 21 tribologischen Kenngrößen aus Kapitel 6.4 aufgetragen, dann sind 170.352 Korrelationen zu überprüfen.
Für den ersten Arbeitsschritt, die Überprüfung des Reibmodells, wäre es ausreichend, einzelne Diagramme gezielt auszuwählen. Für die Arbeitsschritte 2 bis 4 ist es dagegen erforderlich, alle Kombinationen zu überprüfen, da nicht bekannt ist, zwischen welchen Kenngrößen bei welcher Filterung Zusammenhänge vorhanden sind. Mit rechnerischen Methoden werden deshalb alle Kombinationen von Oberflächenkenngrößen und tribologischen Kenngrößen hinsichtlich linearer Zusammenhänge überprüft.
Um die Anzahl der im Rahmen dieser Arbeit darzustellenden Korrelationen einzuschränken, werden in Kapitel 8.1 zunächst Zusammenhänge zwischen Oberflächenkenngrößen untersucht. Von jeweils zwei Kenngrößen, zwischen denen hohe lineare Korrelationskoeffizienten berechnet werden, kann eine durch die andere ersetzt werden. Von diesen Kenngrößen ist jeweils nur eine erforderlich, und die Anzahl der Kenngrößen läßt sich reduzieren.
In Kapitel 8.2 wird das gleiche Vorgehen angewendet, um die Anzahl der zu berücksichtigenden tribologischen Kenngrößen zu reduzieren.
Auch nach der Reduzierung der Anzahl der Kenngrößen verbleiben noch 19.968 Korrelationen. Um alle Kombinationsmöglichkeiten berücksichtigen zu können, sind in Kapitel 8.3 nur die linearen Zusammenhänge untersucht. Die Kombinationen von Oberflächenkenngrößen und tribologischen Kenngrößen, zwischen denen ein auffällig hohes Bestimmtheitsmaß R² besteht, werden in Diagrammform dargestellt und erörtert. Da verschiedene tribologische Mechanismen gleichzeitig wirken können, bestehen für einige Kombinationen von Kenngrößen komplexere Zusammenhänge, die vom Bestimmtheitsmaß R² nicht erfaßt sind. In Kapitel 8.3.2 werden deshalb zusätzliche Diagramme ausgewählt und diskutiert.

Überprüfung des Reibmodells
In Kapitel 9 wird überprüft, inwieweit die aus dem Reibmodell abgeleiteten Anforderungen an die Topografie mit den Versuchsergebnissen übereinstimmen.

Auswahl der Kriterien und Kenngrößen
In Kapitel 10 werden die Kriterien und Kenngrößen ausgewählt, deren Bedeutung für die Reibung sowohl durch das Modell erklärbar als auch im Versuch nachweisbar ist. Diese Kenngrößen werden abschließend zur Beurteilung von Blechoberflächen im Hinblick auf die Reibung bei der Umformung empfohlen.