Umformtechnik Ermittlung Des Reibwertes

1 | S e i t e

1. Einleitung

Reibungserscheinungen spielen in der gesamten Technik sowie im täglichen Leben eine wichtige Rolle. Ohne Reibung wäre ein kontrolliertes Fortbewegen nicht möglich,

beispielsweise erlaubt uns die Haftreibung beim Gehen zwischen Schuhsohlen und

Straße die Fortbewegung. Aus technologischer Sicht stellt die Reibung oftmals eine

verfahrensbegrenzende Größe dar. Der hohe Bedarf an höchstfesten Werkstoffen in

der Umformtechnik führt zu ständig steigenden Anforderungen. So werden

beispielsweise heute beim Tief- oder Streckziehen einige der Versuche durch

Simulationsprogramme ersetzt. Da die Reibung eine essentielle Größe in der Tief-

und Streckindustrie ist, wird über den Reibwertversuch auf das Verhalten von

bestimmten Werkstoffpaarungen geschlossen. Weiters können auch die

Eigenschaften von Schmiermitteln bestimmt werden. Neben dem im Versuch

durchgeführten Streifenziehversuch gibt es noch den Keilzieh- und den

Umlenkversuch.

2. Aufgabenstellung

Ziel der Übung war es die Reibbeanspruchung unter variablen Bedingungen

darzustellen. Zu ermitteln waren:

die Haft- und Gleitreibwerte sind zu berechnen

Verlauf von Normal-, Zugkraft und Reibwert sollen angegeben werden

Verlauf der Gleit- und Haftreibzahl bei unterschiedlichen

Kontaktnormalspannungen über Kontaktnomalspannungen für die gewählten

Traversengeschwindigkeiten

3. Grundlagen

3.1. Reibung

Reibung wird als Hemmung der Relativbewegung zwischen zwei sich berührenden

Körpern bezeichnet, wobei Relativbewegung hemmende Wechselwirkungen nur in

den tatsächlichen Kontaktflächen auftreten.

Reibung ist im Gegensatz zu stoffbezogenen Werkstoffkenngrößen als

systembezogene Kenngröße innerhalb eines bestimmten Tribosystems anzusehen.

Wie in Abbildung 1 zu sehen besteht so ein System aus den vier Komponenten

2 | S e i t e

Grund-, Gegenkörper, Zwischenstoff und einem umgebendem Medium. Kommt es

zur Veränderung in einer der Komponenten, verändert sich somit das gesamte

System.

Abbildung 1: Beanspruchungskollektiv

Die Stribek-Kurve, Abbildung 2, zeigt die Reibwerte über die Relativgeschwindikgeit der Reibpartner für die einzelnen Reibzustände dar.

Abbildung 2: Stribek Kurve

3 | S e i t e

Man Unterscheidet zwischen:

Trockenreibung (Festkörperreibung) o Direkter metallischer Kontakt o Eher selten aufgrund von Oxidschichtbildung

Grenzreibung (Oberflächenschichtreibung) o Kein direkter metallischer Kontakt o Kontakt über nichtmetallische Schicht, beispielsweise Oxidschicht

Flüssigkeitsreibung (Hydrodynamische Reibung) o Trennung der Reiboberflächen durch flüssige Schmierstoffschichten

Mischreibung o Kombiniertes Auftreten der verschiedenen Reibungsarten

Reibungsmechanismen

Grundsätzlich lassen sich Reibungsmechanismen in zwei Arten unterschieden.

Adhäsion

Adhäsion, Abbildung 3, tritt beim Direkten Kontakt zwischen Reibkörpern durch atomare Wechselwirkungen auf. Die in Kontakt stehenden reinen Oberflächen werden durch Kohäsionskräfte an den Kontaktstellen chemisch gebunden (Mikroverschweißung). Bei Bewegung der führt die chemische Bindung zur Abscherung der mikroverschweißten Bereiche. Adhäsion führt zu einem Verschleiß des weicheren Werkstoffs. Durch die Auswahl geeigneter Werkzeugwerkstoffe sowie Schmier- und Trennmittel können Kaltaufschweißungen verhindert werden.

Abbildung 3: Adhäsion

Abrasion

Die Abrasion ist eine unvermeidbare Langzeitverschweißwirkung der Werkzeuge, die beim Eindringen eines harten Gegenkörper in einen weichen Grundkörper, siehe Abbildung 4.

4 | S e i t e

Man unterscheidet zwischen:

Mikropflügen Mikroermüden

Mikrospannen Mikrobrechen

Durch Erhöhen der Oberflächenhärte kann es zu einer Minderung der Abrasion kommen.

Abbildung 4: Abrasion

Reibgesetz

Das Coulomb’sche Reibgesetz gilt als bekannteste Orientierung zur Beschreibung von Reibphänomenen. Prinzipiell kann zwischen Haft- und Gleitreibung unterschieden werden. Haftreibung tritt am Beginn der Relativbewegung auf und wird durch einen gleichmäßigen Anstieg der Kurve beschrieben. Beim Haft-Gleit-Übergang wird ein Abfall beobachtet welcher durch unterschiedliche Reibzahlen berücksichtigt wird. Im weiteren Verlauf der Kurve kommt es zum Gleiten, siehe Abbildung 5.

Abbildung 5: Zugkraft über Reibweg: Bestimmung von Haft und Gleitreibzahl

5 | S e i t e

Formel 1: Haftreibzahl

Formel 2: Gleitreibzahl

Einflussgrößen auf die Reibzahl

Da der Modellversuch vergleichbare Beanspruchungen wie im Realprozess simulieren

muss, wurden durch Normvorgaben Einflussgrößen standardisiert.

Flächenpressung

o Liegt bei < 50N/mm2

o Beeinflusst die Einglättung des Bleches, da die Formgenauigkeit des

Bleches variiert

Temperatur

o Übt direkten Einfluss auf die Viskosität des Schmierstoffes aus

o Bei Umformung wird Reibwärme frei, wodurch sich die Temperatur

verändert

Beanspruchungsdauer

o Bei steigender Beanspruchungsdauer kommt es zu einer Zunahme des

Werkzeugverschleißes

Dies führt zu einer Veränderung der Werkzeugtopografie und

damit der Reibung

o Die Veränderung der Reibparameter muss im Modellversuch

berücksichtigt werden

Gleitgeschwindigkeit

o Lässt sich über Stempelgeschwindigkeit abschätzen

o Ebenfalls möglich eine Messung über angeschweißte Drähte,

Messungen am Platinenrad

o Im Bereich zwischen 50 und 200 mm/s

6 | S e i t e

4. Versuchsdurchführung

4.1. Prüfvorrichtung

Der Versuch wird über eine Universalprüfmaschine Zwick Z 250 durchgeführt. Das

Prüfgerät besteht aus einer Aufnahme für die Klemmpacken, einer Krafmessdose

(Messung der Querkräfte) und Pneumatikzylinder die zum Aufbringen der Querkraft

dient, siehe Abbildung. Die maximale Querkraft beträgt 10 kN. Die maximale

Zugkraft liegt bei 50 kN. Die Traversengeschwindigkeit kann von 0,0005 mm/min bis

zu 600 mm/min eingestellt werden.

Abbildung 6: Aufbau der Streifenzugvorrichtung

7 | S e i t e

4.2 Versuchsablauf

Zu Versuchsbeginn wird ein spezifischer Schmierstoff auf die Blechstreifen aufgetragen und mittig in den Klemmbacken montiert. Mit der Auswahl der gewünschten Flächenpressung bzw. Normalkraft und der Verfahrgeschwindigkeit der Traverse ist die Versuchsvorbereitung abgeschlossen und der Test kann gestartet werden. Der Versuch wird automatisch nach Durchfahren eines Traversenweges von 150 mm gestoppt und die Probe kann aus der Streifenzuganlage entnommen werden. Den Versuchsablauf ist erneut in Abbildung 7 beschrieben.

Abbildung 7: Versuchsablauf

Schmirstoff aufbringen

Einspannen

Versuch starten

•Daten in Messprogramm eingeben

Probe entnehmen

8 | S e i t e

5. Ergebnisse

Die Ermittlung der Haft- und Gleitreibung erfolgt über Excel Daten. Die Messwerte

umfassen Weglänge, Zugkraft und Normalkraft.

Da im Versuch zwei Reibpaarungen, zwei Reibbacken, vorliegen ist die Hälfte der

Zugkraft für die Reibkraft anzunehmen.

Formel 3: Reibkraft

Über die MAX-Funktion, siehe Abbildung 8, von Excel wird der maximale Wert für die

Reibkraft, im Bereich 0 bis 50 mm, ermittelt.

Abbildung 8: MAX-Funktion

Der Haftreibkoeffizent wird anschließend über Formel 1 errechnet.

Für die Berechnung des Gleitreibkoeffizenten, laut Formel 2, benötigt man die

gemittelten Werte der Reibzahlen im Messbereich 50 bis 100 mm.

In Tabelle 1 sind die ermittelten Werte für die Haft- bzw. Gleitreibung, bei einer

Traversengeschwindigkeit von 5 mm/s, zu sehen.

Versuche Normalspannung [N/mm2]

Trav.geschwindigkeit [mm/s]

Haftreibung µ 0 [1]

Gleitreibung µ [1]

1 5 5 0,210 0,165 2 10 5 0,219 0,189 3 15 5 0,172 0,154 4 25 5 0,227 0,190

Tabelle 1: Traversengeschwindigkeit 5 mm/s

9 | S e i t e

In Tabelle 2 sind die Werte für Haft- und Gleitreibung, bei einer

Traversengeschwindigkeit von 10 mm/s, ersichtlich.

Versuch Normalspannung [N/mm2]

Trav.geschwindigkeit [mm/s]

Haftreibung µ 0 [1]

Gleitreibung µ [1]

5 5 10 0,210 0,160 6 10 10 0,202 0,174 7 15 10 0,172 0,149 8 25 10 0,157 0,138

Tabelle 2: Traversengeschwindigkeit 10 mm/s

Die Diagramme 1 bis 8 beinhalten Normalkraft-, Zugkraft- sowie Reibwertverlauf. Aus

Übersichtlichkeit wurde der Reibwertverlauf logarithmisch aufgetragen.

Diagramme 9 bis 10 zeigen den Verlauf der Haftreibzahl bzw. Gleitreibzahl bei

variabler Kontaktnormalspannung für die Traversengeschwindigkeiten 5 mm/s und

10 mm/s.

10 | S e i t e

Diagramm 1: Probe 1

Diagramm 2: Probe 2

0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 1

Zugkraft [N] Normalkraft [N] Reibwert

0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 2


11 | S e i t e

Diagramm 3: Probe 3

Diagramm 4: Probe 4

0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 3


0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 4


12 | S e i t e

Diagramm 5: Probe 5

Diagramm 6: Probe 6

0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 5


0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 6


13 | S e i t e

Diagramm 7: Probe 7

Diagramm 8: Probe 8

0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 7


0,002

0,004

0,008

0,016

0,032

0,064

0,128

0,256

0,512

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Re

ibu

ng

μ [

1]

Span

nu

ng

[N/m

m2]

Probenlänge [mm]

Probe 8


14 | S e i t e

Diagramm 9: Haftreibzahl

Diagramm 10: Gleitreibzahl

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0 5 10 15 20 25 30

Haf

trei

bza

hl μ

Kontaktnormalspannung [N/mm2]

Haftreibzahl

Traversengeschwindigkeit5mm/s


0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0 5 10 15 20 25 30

Gle

itre

ibza

hl μ

Kontaktnormalspannung [N/mm2]

Gleitreibzahl



15 | S e i t e

6. Schlussfolgerung

6.1. Haftreibzahl/Gleitreibzahl

Wie zu erwarten ist der Haftreibwert größer als Gleitreibwert, da es während der

Untersuchung keine störenden Ereignisse, wie beispielsweise das Verkeilen der

Probe, vorgefallen sind. Zu beachten ist, dass der angegeben Werte ein Maximalwert

ist. Der Realverlauf der Haftreibung würde eine breite Streuung aufweisen.

6.2. Normalkraft-, Zugkraft- und Reibwertverlauf

Nur Proben 1, 5 und 7 weisen eine Ähnlichkeit zu der idealisierten

Verlaufsdarstellung der Zugkraft in der Literatur. Das Verhalten der restlichen Proben

entspricht den Literaturangaben nicht. Beim Reibverlauf der Proben 2,4 und 6 ist

eindeutig zu sehn, dass sich die Maxima außerhalb des angenommenen 50 mm

Haftreibreibbereichs befinden. Bei den Proben 1,3,5,7 und 8 liegen die Maxima im

eindeutig im Einzugsbereich der Haftreibung.

6.3. Verlauf der Haftreibzahl/Gleitreibzahl

Die in Diagramm 9 und 10 aufgetragenen Reibwerte sollten bei steigender

Relativgeschwindigkeit, laut der Stribeck Kurve, sinken, was nicht zutrifft. Der Verlauf

der Kontaktnormalspannung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Reibung,

innerhalb eines bestimmten Tribosystems, keine stoffbezogene Kenngröße sondern

eine systembezogene Kenngröße ist.

16 | S e i t e

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Beanspruchungskollektiv ........................................................................................ Seite 2

Abbildung 2: Stribek Kurve ............................................................................................................ Seite 2

Abbildung 3: Adhäsion .................................................................................................................. Seite 3

Abbildung 4: Abrasion ................................................................................................................... Seite 4

Abbildung 5: Zugkraft über Reibweg: Bestimmung von Haft und Gleitreibzahl ........................... Seite 4

Abbildung 6: Aufbau der Streifenzugvorrichtung ......................................................................... Seite 6

Abbildung 7: Versuchsablauf ......................................................................................................... Seite 7

Abbildung 8: MAX-Funktion .......................................................................................................... Seite 8

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Traversengeschwindigkeit 5 mm/s ............................................................................... Seite 8

Tabelle 2: Traversengeschwindigkeit 10 mm/s ............................................................................. Seite 9

Formelverzeichnis

Formel 1: Haftreibzahl ................................................................................................................... Seite 5

Formel 2: Gleitreibzahl .................................................................................................................. Seite 5

Formel 3: Reibkraft ........................................................................................................................ Seite 8

Diagrammverzeichnis

Diagramm 1: Probe 1 .................................................................................................................... Seite 10








Diagramm 9: Haftreibzahl ............................................................................................................ Seite 14

Diagramm 10: Gleitreibzahl .......................................................................................................... Seite 14

17 | S e i t e

Inhalt 1. Einleitung ........................................................................................................................... Seite 1

2. Aufgabenstellung ............................................................................................................... Seite 1

3. Grundlagen ........................................................................................................................ Seite 1

3.1. Reibung .......................................................................................................................... Seite 1

Reibungsmechanismen ......................................................................................................... Seite 3

Reibgesetz ............................................................................................................................. Seite 4

4. Versuchsdurchführung ...................................................................................................... Seite 6

4.1. Prüfvorrichtung ............................................................................................................. Seite 6

4.2 Versuchsablauf .............................................................................................................. Seite 7

5. Ergebnisse...................................................................................................................... Seite 8

6. Schlussfolgerung ........................................................................................................... Seite 15

6.2. Normalkraft-, Zugkraft- und Reibwertverlauf .......................................................... Seite 15

6.3. Verlauf der Haftreibzahl/Gleitreibzahl ..................................................................... Seite 15

Documents

Umformtechnik Ermittlung Des Reibwertes