DE19529429C2 - Feinblech, Walzwerkswalze für die Feinblechherstellung, Verfahren zur Oberflächenstrukturierung der Walzwerkswalze und ihre Verwendung - Google Patents
Feinblech, Walzwerkswalze für die Feinblechherstellung, Verfahren zur Oberflächenstrukturierung der Walzwerkswalze und ihre VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Feinblech, eine Walzwerkswalze
für die Feinblechherstellung, Verfahren zur
Oberflächenstrukturierung der Walzwerkswalze und ihre
Verwendung.
Feinblechwerkstoffe aus Stahl und aus Aluminium müssen
für ein breites Spektrum an Weiterverarbeitungsschritten
eine Vielzahl von Anforderungskriterien erfüllen. Stand
die Einstellung der mechanischen Werkstoffeigenschaften
für eine umformtechnische Weiterverarbeitung bisher im
Vordergrund, so gewinnen vor dem Hintergrund einer mit
dem Ziel der höheren Wirtschaftlichkeit im Bereich der
Sekundärumformung angestrebten umfassenden Optimierung
des gesamten Umformsystems die tribologischen
Prozeßgrößen und damit insbesondere die
Oberflächenstruktur des Feinbleches deutlich an Gewicht.
Insbesondere für Anwendungen, bei denen neben einer guten
Umforbarkeit zusätzlich hohe Qualitätsanforderungen an
das ästhetische Erscheinungsbild der Oberfläche des
Endproduktes, vor allem nach dem Lackieren, gestellt
werden, kommt der gezielten Einstellung der Oberflächen-
Rauheitsstruktur im Herstellungsprozeß von Feinblech
besondere Bedeutung zu.
Bekannte stochastische Oberflächenstrukturen sind durch
eine statistische Verteilung von Gestaltmerkmalen
gekennzeichnet. Deshalb werden sie in der Literatur Stahl und Eisen 110 (1990) S. 55 ff
auch als "statistische" Rauheitsstrukturen bezeichnet.
Dabei ist es für die Funktionalität dieser Oberflächen in
erster Linie von Bedeutung, daß eine homogene Verteilung
der erhabenen Oberflächenelemente erreicht wird, die im
zweidimensionalen Profilschnitt als sog. Profilkuppen
sichtbar sind. Ein weiteres typisches Merkmal dieser
Oberflächen ist das Vorhandensein von Mikrokanälen, die
die Profiltäler miteinander verbinden. In Fig. 1, K. Steinhoff: Umformtechnische Schriften Bd. 47 (1994),
Verlag Stahleisen, Düsseldorf wird
diese Oberflächencharakteristik am Beispiel einer
dreidimensionalen Darstellung im Bildteil a) und im
Bildteil b) an einer zweidimensionalen
Feinblechoberfläche verdeutlicht.
In einem werkzeuggebundenen Umformprozeß, z. B. durch
Tiefziehen oder Streckziehen, zeichnen sich diese
Oberflächenstrukturen dadurch aus, daß bei hohen
Druckbeanspruchungen der Schmierstoff über die
Mikrokanäle aus der Beanspruchungszone abfließen kann. Um
nun eine ausreichend hohe Fertigungssicherheit zu
erreichen, d. h. primäre Prozeßfehler, wie
Kaltverschweißungen, Reißer und Einschnürungen, zu
vermeiden, ist neben der bereits erwähnten homogenen
Verteilung und eine charakteristische Häufigkeit von
Profilkuppen auch ein ausreichend hohes Aufnahmevermögen
für Schmierstoff zur Aufrechterhaltung des Schmierfilmes
in den Kontaktzonen zwischen Werkstück und Werkzeug
unerläßlich.
Unter zusätzlicher Berücksichtigung von Einebnungs- und
Verschleißeffekten sind aus diesem Grund für diese
Umformbeanspruchungen relativ hohe Rauheiten
erforderlich. Dagegen mindert der mit solchen hohen
Rauheiten verbundene vergleichsweise hohe langwellige
Profilanteil die Oberflächenqualität des Endprodukts nach
einer Lackierung. Die inhomogene Verteilung von
Gestaltsmerkmalen verstärkt diesen Effekt.
Feinblechprodukte mit einer für eine werkzeuggebundene
Umformung im Weiterverarbeitungsprozeß gut geeigneten
stochastischen Oberflächenstruktur haben aber nach einer
Beschichtung ein ungenügendes ästhetisches
Erscheinungsbild.
Deterministische Oberflächen sind durch eine geometrisch
regelmäßige Verteilung von gleichartigen Gestaltmerkmalen
gekennzeichnet. Von zentraler Bedeutung für die
Funktionalität dieser Oberflächen ist die
punktrasterförmige räumliche Trennung der
Gestaltmerkmale. In Fig. 2 (Steinhoff, aa0) wird dies am Beispiel einer
dreidimensionalen Darstellung (Bildteil a) einer
Feinblechoberfläche verdeutlicht, die im Bildteil b) als
Draufsicht zweidimensional erscheint. Im Umformprozeß
bilden diese isolierten Gestaltmerkmale (Krater)
geschlossene Schmiertaschen, aus denen der Schmierstoff
auch bei sehr hohen Druckbeanspruchungen nicht entweichen
kann. Diese Taschen dienen als Schmierstoffreservoir, aus
denen der Schmierstoff aufgrund des hydrostatischen
Druckaufbaus während der Umformung in die Kontaktzone
zwischen Werkzeug und Werkstück transportiert werden
kann.
Allerdings weisen deterministische Rauheitsstrukturen auf
der Feinblechoberfläche einige Nachteile auf:
- - Der Zwischenraum zwischen den Schmiertaschen wird wesentlich durch die Struktur der durch Schleifen vor dem Aufrauhprozeß vorbehandelten Walzen geprägt. Die typischen Schleifriefen haben bei starker Ausprägung die Eigenschaft, den aus den Schmiertaschen in die Kontaktzone transportierten Schmierstoff in Richtung der Riefen wie in einem Ablaufkanal sehr schnell abzuleiten, in andere Richtungen sind dagegen keine Mikrokanäle zum Schmierstofftransport vorhanden. Eine flächendeckende Schmierstoffversorgung kann daher nur sehr unzureichend erfolgen. Bei einer sehr schwach ausgeprägten Schleifstruktur bleibt dieser einsinnige Kanalisierungseffekt weiterhin erhalten. Das Aufnahmevermögen ist aber so gering, daß auch in diesem Falle keine ausreichende Schmierwirkung erreicht werden kann. Durch die Einebnung der Werkstückoberfläche während des Umformprozesses werden diese ohnehin unzureichenden Transportmechanismen zusätzlich behindert.
- - Das Abprägen des eigentlichen Kraters führt auf dem Blech zu einem Bereich undefinierter Rauheitsausprägung (Kraterschatten). In Abhängigkeit vom Blechwerkstoff, der geometrischen Ausprägung des Schmelzaufwurfes auf der Walze und der Walzbedingungen kann entweder eine Erweiterung der Schmiertasche entstehen, oder aber eine kuppenartige Erhebung auf der Blechoberfläche. Eine definierte Ausprägung dieses Bereiches ist bei herkömmlicher Walztechnologie, bei der es primär auf die Einstellung der mechanischen Werte bzw. die Unterdrückung einer ausgeprägten Streckgrenze ankommt, nicht möglich.
- - Das optische Erscheinungsbild der Feinblechoberflächen, die ohne weitere Bearbeitung für dekorative Zwecke Verwendung finden - dies gilt im wesentlichen für Edelstahl- und Aluminiumbleche -, genügt nicht den in diesem Anwendungsbereich herrschenden hohen Qualitätsanforderungen.
Neben den rein stochastischen und rein deterministischen
Rauheitsstrukturen gibt es solche, die der einen oder
anderen Rauheitsstruktur angenähert sind und daher mit
den Vorsätzen "semi-", "quasi-" oder pseudo-", z. B.
"semi-stochastisch", versehen werden.
Sie alle erfüllen jedoch nicht gleichzeitig beide
Forderungen, nämlich nach guter Umformbarkeit des
Feinblechs einerseits und zum anderen gutem Aussehen
seiner lackierten oder beschichteten Oberfläche.
In der Kaltwalztechnik wurde zur Herstellung definierter
Arbeitswalzenoberflächen noch bis vor wenigen Jahren
ausschließlich das Wirbelstrahlen eingesetzt. Bei diesem
Verfahren beruht die Änderung der Oberflächenstruktur auf
einer durch Aufschleudern eines feinkörnigen Granulates
hervorgerufenen plastischen Umformung der
Walzenoberfläche. Die kinetische Energie des Strahlgutes
wird entweder über Druckluftsysteme oder durch
Schleuderräder erzeugt. Mit steigenden Anforderungen an
die Oberflächenbeschaffenheit wurden bereits für andere
technische und wissenschaftliche Anwendungen eingesetzte
Verfahren so weiterentwickelt, daß eine Nutzung dieser
Verfahren zur Herstellung definierter Walzenoberflächen
möglich wurde. Der Aufrauheffekt der neuen Verfahren
basiert nicht mehr auf einer plastischen
Oberflächenumformung wie beim Wirbelstrahlen sondern auf
einem lokalen Aufschmelzen der Walzenoberfläche. Die dazu
erforderliche Energie wird beim Laser-Texturieren mittels
eines zeitlich getakteten Laserstrahls beim
Elektronenstrahl-Texturieren ebenfalls mittels eines
zeitlich getakteten Elektronenstrahls und beim
Funkenerosionsbearbeiten durch elektrische
Entladungsvorgänge auf die Walzenoberfläche übertragen.
Fig. 32) zeigt schematisch die Funktionsprinzipien dieser
Aufrauhtechniken.
Aufgabe der Erfindung ist somit ein diese beiden
Anforderungen erfüllendes Feinblech zu entwickeln.
Weiterhin soll eine Walze zur Oberflächenstrukturierung
eines solchen Feinblechs und ein Verfahren zur Erzeugung
und Verwendung einer solchen Walze schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein
Feinblech aus Stahl oder Aluminium mit stochastisch-
deterministischer Rauheitsstruktur auf seiner Oberfläche.
Ein derart oberflächenstrukturieres Feinblech vereinigt
überraschenderweise die Vorteile einer stochastischen
Rauheitsstruktur mit denen einer deterministischen
Rauheitsstruktur. Insgesamt ergeben sich folgende
Vorteile gegenüber bislang bekannt gewordenen
Rauheitsstrukturen:
- - Die deterministische Deckstruktur ermöglicht die Nutzung des Effektes der Bildung von geschlossenen hydrostatischen Schmiertaschen bei Umformbeanspruchungen.
- - Die definierte Ausprägung des Zwischenbereichs zwischen den Kratern in Form der stochastischen Grundstruktur verhindert den sehr schnellen Abtransport des über den hydrostatischen Druckaufbau in den isolierten Schmiertaschen aktivierten Schmierstoffes und stellt gleichzeitig aufgrund der homogenen Verteilung der Gestaltmerkmale ein feingliedriges Netz von Mikrokanälen zur gleichmäßigen Verteilung des Schmierstoffes über die gesamte Oberfläche bereit.
- - Die Funktionsweise des Mikrokanalnetzes der stochastischen Grundstruktur bleibt trotz der bei einer Umformung auftretenden Einebnung der Feinoberfläche erhalten.
- - Die feingegliederte stochastische Grundstruktur gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Mikrogleitflächen und minimiert durch die homogene Verteilung dieser Gleitreibzonen das Risiko von Kaltverschweißungs-Effekten zwischen Werkzeug und Werkstück.
- - Die stochastische Grundstruktur sichert eine Mindestbenetzung der Oberfläche mit Schmierstoff zu Beginn des Umformprozesses, d. h. in einer Prozeßphase, in der der hydrostatische Druckaufbau in den Schmiertaschen noch nicht vollständig erfolgt ist.
- - Die stochastische Grundstruktur verbessert deutlich das ästhetische Erscheinungsbild der Feinblechoberfläche gegenüber einer deterministischen Struktur.
- - Die stochastische Grundstruktur verleiht dem Feinblech deutlich bessere Verlaufs- und Haftungseigenschaften für organische und metallische Beschichtungen.
- - Die Schweißbarkeit der Oberfläche ist deutlich verbessert.
- - Das Abriebverhalten der Oberfläche während einer Umformung ist ebenfalls verbessert. Der verbleibende Oberflächenabrieb kann aus der Kontaktzone abtransportiert und in den Schmiertaschen aufgefangen werden.
Generell ist es denkbar, die stochastisch-
deterministische Rauheitsstruktur des Feinblechs durch
den Einsatz unterschiedlich aufgerauhter Arbeitswalzen in
aufeinanderfolgenden Schritten des Kaltwalzprozesses
herzustellen. Dies bedeutet, im vorletzten Umformstich
des Kaltwalzens oder Kaltnachwalzens Arbeitswalzen mit
deterministischer Oberflächenstruktur einzusetzen und im
letzten Umformstich solche mit stochastischen
Oberflächenstrukturen oder umgekehrt. Aufgrund der
zumindest teilweisen Abprägung der Schleifstruktur
entsteht im letzten Umformstich dabei keine optimale
Oberflächenstruktur des Feinbleches.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine
Walzwerkswalze vorgeschlagen, die eine stochastisch-
deterministische Rauheitsstruktur aufweist. Diese kann
sie entweder bei der Herstellung von Produkten, die nicht
nachgewalzt werden müssen, bereits im letzten Umformstich
des Kaltwalzens oder bei Feinblechen, die nachgewalzt
werden, im letzten Umformstich des Nachwalzens auf das
Feinblech übertragen.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer stochastisch-
deterministischen Rauheitsstruktur auf einer
Feinblechoberfläche. Fig. 5 zeigt die Struktur der
Walzenoberfläche. Die beabstandeten Erhebungen treten
hier gegenüber den tiefer liegenden Zwischenabschnitten
deutlich hervor.
Grundsätzlich ließe sich auf der Walzwerkwalze zunächst
eine deterministische Rauheitsstruktur erzeugen und
anschließend die stochastische Rauheitsstruktur
überlagern. Es wird jedoch erfindungsgemäß bevorzugt, in
umgekehrter Reihenfolge zunächst die stochastische
Rauheitsstruktur zu erzeugen und anschließend die
deterministische Rauheitsstruktur zu überlagern. In
dieser Weise erzeugte Rauheitsstrukturen haben sich als
günstiger für die Abbildung auf einer Feinblechoberfläche
erwiesen.
Die stochastische Grundstruktur auf der Walzenoberfläche
kann in an sich bekannter Weise durch Wirbelstrahlen-
oder Funkenerosion erfolgen. Die deterministische
Deckstruktur kann man in bekannter Weise durch Laser-
oder Elektronenstrahlbearbeitung überlagern. Bevorzugte
Rauheits- und Geometriekenngrößen der Rauheitsstrukturen
einer erfindungsgemäßen Arbeitswalzenoberfläche sind in
Tafel 1 und die einer erfindungsgemäßen
Feinblechoberfläche in Tafel 2 enthalten.
Bevorzugt wird eine Walze mit stochastisch-
deterministischer Rauheitsstruktur für den letzten
Umformstich beim Kaltwalzen oder Kaltnachwalzen von
Feinblech aus Stahl oder Aluminium verwendet. Der Einsatz
einer stochastischdeterministischen Walzenoberfläche in
Warm- und Kaltwalzprozessen führt durch die Begünstigung
des hydrodynamischen Reibungszustandes zu einer
Verbesserung des gesamten Umformprozesses, z. B.
Vermeidung von Schmierfilmabrissen.
Claims (6)
1. Feinblech aus Stahl oder Aluminium mit
stochastisch-deterministischer Rauheitsstruktur.
2. Walzwerkswalze mit stochastisch-deterministischer
Rauheitsstruktur.
3. Walzwerkswalze nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch eine
stochastische Grundstruktur und eine deterministische
Deckstruktur.
4. Verfahren zur Herstellung einer Walzwerkswalze mit
definierter Oberflächenstruktur,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Walzenoberfläche zunächst mit einer stochastischen
Rauheitsstruktur versehen wird, die danach von einer
deterministischen Deckstruktur derart überlagert wird,
daß eine stochastisch-deterministische Mischstruktur
erhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
stochastische Grundstruktur auf der Walzenoberfläche
durch Wirbelstrahlen oder Funkenerosion und die
deterministische Deckstruktur durch Laser- oder
Elektronenstrahlbearbeitung erzeugt wird.
6. Verwendung einer Walzwerkswalze nach Anspruch 2
oder 3 für den Einsatz beim Warmwalzen, reduzierenden
Kaltwalzen und Kaltnachwalzen von Flachprodukten aus
Stahl oder Aluminium.
Priority Applications (2)
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ID=7769173
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