EP3223970B1

EP3223970B1 - Oberflächentexturierung von umformungswerkzeugen

Info

Publication number: EP3223970B1
Application number: EP15781952.5A
Authority: EP
Inventors: Arnt Kohlrausch; Hartmut Pawelski; Markus SCHELLMANN
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: PL3223970T3; ES2726917T3; WO2016083026A1; DE102014226970A1; US10864565B2; JP6574993B2; EP3223970A1; KR20170073668A; CN107000000A; US20170320114A1; JP2018504279A; RU2017122480A3; RU2677814C2; KR102042025B1; RU2017122480A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Umformungswerkzeugs, das eine strukturierte Prägefläche aufweist, die zur plastischen Umformung eines Substrates mit einer Oberfläche desselben in Kontakt bringbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein solches Umformungswerkzeug.

Hintergrund der Erfindung

Bei plastischen Umformvorgängen werden oftmals Prägeflächen, etwa die Oberfläche einer Arbeitswalze im Walzwerk, mit besonders strukturierter Oberflächentextur eingesetzt. Dabei besteht das Ziel, durch plastische Umformung eine Abprägung der Oberflächenstruktur der Prägefläche in die betreffende Oberfläche des Substrats einzuprägen. Eine solche Einprägung, welche eine etwaige bereits vorhandene material- und/oder prozessbedingte oberflächennahe Rauheitsstruktur überlagert, kann aus optischen, tribologischen, werkstofftechnischen, fügetechnischen oder durch eine Kombination dieser Gründe motoviert sein.
Ein beispielhafter Prozessverlauf zur Oberflächenprägung von Blechen beim sogenannten Dressierverfahren soll kurz umrissen werden: Beim Kaltwalzen werden Walzen mit einer definierten Rauheit eingesetzt, um Greifbedingungen und Schmierbedingungen für die Umformung zu erfüllen. Beispielsweise ist bekannt, das letzte Walzenpaar der Kaltwalzstraße aufzurauen, damit die Oberflächen der einzelnen Windungen eines Coils beim Glühen nicht verkleben. Während des Walzvorgangs wird die Rauheit der Walzen auf das Blech aufgeprägt. Nach dem Kaltwalzen werden die Bleche geglüht, um für das anschließende Tiefziehen die erforderliche Umformbarkeit herzustellen. Aus prozesstechnischen Gründen lassen sich Veränderungen von Oberflächenstrukturen während des Glühens nur schwer vermeiden. Nach dem Glühen weist das Blech darüber hinaus eine ausgeprägte Streckgrenze auf, was bei der Umformung zu Fließfiguren führen kann. Durch das folgende Nachwalzen des Blechs im Dressiergerüst können diese meist unerwünschten Effekte vermindert oder aufgehoben werden. Gleichzeitig wird das Nachwalzen dazu genutzt, die endgültige Oberflächentextur herzustellen. Die Struktur durch die Dressierwalze überlagert die durch das Kaltwalzen und Glühen aufgebrachte Struktur.
Zur Herstellung der Prägestruktur besonders auf der Dressierwalze stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung; darunter fallen das sogenannte "Shot Blast Texturing" (SBT), "Electrical Discharge Texturing" (EDT), "Laser Texturing" (LT), "Electron Beam Texturing" (EBT), Pretex.
Bei der Umformung des Substrates zur Strukturgebung der Oberfläche findet eine plastische Verformung nicht nur in der Nähe der Oberfläche statt, sondern dieser Vorgang bedingt einen Materialfluss entlang mindestens einer weiteren Hauptrichtung. Um bei dem Beispiel des Walzprozesses zu bleiben, erfolgt in diesem Fall eine Dickenabnahme des Substrats, was in erster Linie zu einer Längung führt. Die Längung ist meist gewollt und außerdem unvermeidlich. Sie führt zu einer Streckung des Materials in Walzrichtung. Eine Streckung quer zur Walzrichtung findet nicht oder kaum statt.
Die Längung, oder allgemeiner gesprochen die Verformung entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen, hat zur Folge, dass eine auf der Oberfläche vorhandene oder auf die Oberfläche aufgebrachte Struktur entsprechend dem Maß der Verformung entlang der Hauptrichtungen (beim Walzen entsprechend dem Maß der Dickenreduktion bzw. Längung) geometrisch verzerrt wird. Eine ursprünglich kreisförmige Struktur, beispielweise, wird zu einer Ellipse verformt, deren Hauptachse parallel zur Walzrichtung liegt.
Die Qualität der Abprägung kann durch diese prozessbedingte Verzerrung durchaus wesentlich beeinträchtigt werden. In der Regel wird eine unverzerrt Abbildung angestrebt, die jedoch nur dann vorliegt, wenn eine Umformung entlang solcher Richtungen, die nicht zur Texturierung gehören, also entlang der oben genannten Hauptrichtungen, vermieden wird. Ein erheblicher Zielkonflikt beim plastischen Umformen mit Oberflächentexturierung besteht somit darin, dass eine hohe Qualität der Abprägung einem hohen Umformungsgrad entgegensteht. Ein hoher Umformungsgrad entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen, also beispielsweise eine starke Reduktion des Materials bei konstantem Massenfluss, wiederum, befördert die Produktivität. Insofern steht auch eine Erhöhung der Produktivität der Qualität der angestrebten Oberflächentextur entgegen.
Wenngleich das obige Problem der Oberflächentexturierung hautsächlich im Bild eines Walzprozesses als ein beispielhaftes Verfahren zur plastischen Umformung dargelegt wurde, treten die Schwierigkeiten auch bei anderen plastomechanischen Umformverfahren und diskontinuierlichen Vorgängen auf, worunter das Schmieden, Prägen, Stempeln, Plattieren und andere zählen.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Umformungswerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, mit dem sich ein hoher Umformungsgrad bei verbesserter Qualität der Abprägung erzielen lässt.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Umformungswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden
Die JP H05 92283 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche einer Arbeitswalze mittels eines Lasers.
Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Umformungswerkzeugs, das eine strukturierte Prägefläche aufweist. Die strukturierte Prägefläche ist zur plastischen Umformung eines Substrates mit einer Oberfläche desselben in Kontakt bringbar. Im Falle des bevorzugten Walzprozesses ist das Substrat beispielsweise ein zu walzendes Metallblech, und als Prägefläche kommt bevorzugt die Umfangsfläche einer Arbeitswalze, etwa einer Dressierwalze, in Betracht. Allerdings ist die Erfindung auch für andere Umformungsverfahren geeignet, wie beispielsweise das Schmieden, Prägen, Stempeln oder Plattieren.
Zunächst wird eine auf dem Substrat herzustellende Zielstruktur, die auch als Textur bezeichnet wird, bestimmt. Es handelt sich dabei um das gewünschte, mittels plastischer Umformung herzustellende Oberflächenprofil. Die Zielstruktur könnte beispielsweise eindeutig als zweidimensionale Funktion dargestellt werden, ein Berg- und Talprofil in Abhängigkeit der Position auf der Oberfläche. Vorzugsweise ist die Zielstruktur isotrop, d.h. zumindest in bestimmter Hinsicht richtungsunabhängig, gestaltet. Die Definition der Zielstruktur kann auch ein Maß der Rauheit enthalten (die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit, die gemittelte Rautiefe, die Spitzenzahl, usw.). Eine ungewollte Verzerrung der Zielstruktur zeigte sich in der Vergangenheit bei Strukturen hoher Rauheit bzw. hoher Umformungsgrade in besonderem Maße. Dieses Problem löst die Erfindung, und insofern ist sie für Zielstrukturen dieser Art besonders geeignet.
Die Zielstruktur wird anschließend geometrisch verzerrt, wodurch eine Struktur erhalten wird, die im vorliegenden Text als Prägeabbildungsstruktur bezeichnet werden soll. Die geometrische Verzerrung schließt insbesondere ein Stauchen und Strecken der Zielstruktur ein. Der Sinn dieser Transformation besteht darin, eine unabdingbare und meist gewünschte Verformung des Substrats entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen zu kompensieren. Als Hauptrichtung wird eine Richtung bezeichnet, die nicht durch die Profilierung bzw. Texturierung bestimmt ist, entlang der nichtsdestotrotz eine plastische Umformung des Substrats während der Profilgebung stattfindet. Handelt es sich bei dem Umformungsverfahren beispielsweise um das oben angesprochene Walzverfahren, entspricht die besagte Hauptrichtung der Walzrichtung; denn entlang der Walzrichtung findet eine Streckung oder Längung des Materials statt, die durch die Walzwirkung, nicht aber durch die eigentliche Strukturgebung, zustande kommt. Eine Längung quer zur Walzrichtung (in der Ebene des Substrats) findet hingegen nicht oder wenigstens kaum statt, sodass im Walzprozess von einer Umformung entlang nur einer Hauptrichtung ausgegangen werden kann. Anders ausgedrückt bedeutet dies: Eine ebene Umformung erfolgt in Längen- und Dickenrichtung, aber nicht in Breitenrichtung, so dass bezogen auf die Oberfläche die Verformung nur in einer Hauptrichtung, nämlich in Längenrichtung erscheint. Allgemein gesprochen kann die Umformung allerdings entlang mehrerer Hauptrichtungen stattfinden. Die geometrische Transformation kompensiert in dem Fall des Walzens somit die Längung des Substrats in Walzrichtung. Wenn die Zielstruktur beispielsweise aus einer Vielzahl von Kreisen besteht, werden diese im Rahmen der geometrischen Verzerrung bewusst und gewollt zu Ellipsen gestaucht, wobei deren Hauptachsen quer zur Walzrichtung liegen.
Die Prägeabbildungsstruktur wird anschließend invertiert, wodurch eine Struktur erhalten wird, die als Prägestruktur bezeichnet wird. Die Prägefläche des Umformungswerkzeugs wird dann gemäß der so erhaltenen Prägestruktur gefertigt. Mit anderen Worten ist die Prägestruktur diejenige Struktur, mit der die Prägefläche des Umformungswerkzeugs versehen werden soll.
Die Erfindung ermöglicht einen hohen Abprägungsgrad vom Werkzeug auf das Substrat, ohne unbeabsichtigte Verzerrungen an der Zieltextur zu erzeugen. Es können hohe Rauheiten realisiert werden, ohne dass sich eine solche negativ auf die Qualität der Zielstruktur auswirkt. Insbesondere lassen sich mit dem hier vorgestellten Verfahren regelmäßige und/oder isotrope Strukturen mit hohem Umformungsgrad erzeugen. Im Unterschied zu eher stochastischen Strukturen, denen eine Verzerrung unmittelbar anzusehen ist. Zur Qualitätssteigerung waren in der Vergangenheit große Walzendurchmesser, geringe Umformungsgrade und/oder andere nachteilbehaftete technische Lösungen erforderlich. Diese Probleme löst die Erfindung. Insbesondere trägt sie zur Verbesserung der Oberflächenqualität hinsichtlich optischer, tribologischer, werkstofftechnischer, fügetechnischer und/oder einer Kombination dieser oder weiterer Eigenschaften bei. All dies ist in Verbindung mit ausgesprochen hohen Umformungs- bzw. Abprägungsgraden realisierbar, wodurch eine Steigerung der Produktivität ohne bauliche Veränderung der Umformanlage erzielt wird. Somit ist die Erfindung mit geringen Modifikationen am Werkzeug realisierbar.
Vorzugsweise wird die Zielstruktur durch eine Übertragungsfunktion beschrieben, deren Parameter bzw. Argumente die Prägestruktur und einen oder mehrere Prozessparameter enthalten. Die Prozessparameter beschreiben hierbei das Umformverhalten des Substrats während der plastischen Umformung entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen. Die Bezeichnung "Prozessparameter" wird im vorliegenden Text allgemein verstanden und schließt Parameter des zu bearbeitenden Substrats ebenso ein, wie solche Parameter, die Eigenschaften des Umformungswerkzeugs beschreiben. Beispielsweise kann die Verformung entlang einer Hauptrichtung von der Substratdicke, beispielweise der Blechdicke oder Banddicke beim Walzen, abhängen. Des Weiteren kann die Umformbarkeit von der Fließspannung des Materials abhängen. Eine geometrische Größe, im Walzprozess etwa der Durchmesser der Walze, kann ebenfalls das Umformverhalten des Substrats beeinflussen. Je größer der Walzendurchmesser, desto geringer die Längung in Walzrichtung. Weitere Parameter, die diesbezüglich eine Rolle spielen können, sind die Prägegeschwindigkeit, beispielsweise die Walzgeschwindigkeit im Walzprozess, der Zug entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen beim Umformen, ein Reibungskoeffizient zwischen Prägewerkzeug und Substrat und/oder ein anderes Maß für die Verlängerung des Materials.
Vorzugsweise weist die Prägestruktur eine anisotrope geometrische Eigenschaft auf, deren Pendant in der Zielstruktur isotrop ist. Hierbei kann die Prägestruktur in ihrer Gesamtheit anisotrop, d.h. richtungsabhängig (analog die Zielstruktur in ihrer Gesamtheit isotrop, d.h. richtungsunabhängig) sein, oder nur eine oder mehrere geometrische Eigenschaften der Struktur können anisotrop bzw. isotrop vorgesehen sein. Wenn beispielsweise die Zielstruktur aus einer Vielzahl von Kreisen aufgebaut ist, dann können diese Kreise anisotrop verteilt sein. Nichtsdestotrotz würde die Struktur eine entsprechende isotrope Eigenschaft - die Kreise - aufweisen. In der Prägestruktur wären diese Kreise zu Ellipsen gestaucht.
Zur Herstellung der Prägefläche eigenen sich das sogenannte "Shot Blast Texturing" (SBT), "Electrical Discharge Texturing" (EDT), "Laser Texturing" (LT), "Electron Beam Texturing" (EBT), Pretex. Beim "Shot Blast Texturing" werden makroskopische Partikel von einem Schleuderrad auf die Prägefläche beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Prägefläche deformieren die Partikel die Oberfläche plastisch und schlagen ggf. Material heraus. Die Rauheit kann durch die Geschwindigkeit des Schleuderrads, das Strahlmittel, die Härte der Prägefläche, den Strahlmitteldurchsatz und/oder die Bearbeitungsdauer eingestellt werden. Beim "Electrical Discharge Texturing" werden Elektroden an die sich vorzugsweise bewegende Prägefläche (etwa an die sich drehende Walzenoberfläche) gefahren ohne diese zu berühren. Durch einen Hochspannungsimpuls des elektrischen Generators entsteht eine ausreichend hohe elektrische Feldstärke zwischen Elektrode und Substrat, sodass es im Dielektrikum zwischen beiden Polen zu einer Funkenentladung kommt. Im Plasma des sich bildenden Lichtbogens fließt der Brennstrom.
Ein kleiner Bereich der Prägefläche wird aufgeschmolzen. Im Dielektrikum formieren sich Gasblasen. Beim Ausschalten des Erodierimpulses implodieren die Gasblasen und der geschmolzene Werkstoff wird herausgeschleudert. Die Rauheit kann neben der Härte der Prägefläche über Parameter wie Spannung, Strom, Steuerzeiten und Abstand der Elektroden eingestellt werden. Im Vergleich zum SBT lassen sich mit EDT höhere Spitzenzahlen und geringere Rauheiten mit höherer Reproduzierbarkeit herstellen. Beim "Laser Texturing" wird ein Laserstrahl auf die Prägefläche fokussiert und schmilzt einen kleinen Bereich der Oberfläche auf. Ein Chopperrad oder eine geeignete elektronische Ansteuerung unterbricht den Strahl, und die Schmelze wird durch den Druck des Plasmas und ein Inertgas ausgeblasen. Dabei sammelt sich die Schmelze entweder zu einem Wulst um den Kraterrand oder wird an einer Seite des Kraters angehäuft und erstarrt dort. Zur Einstellung der Rauheit werden etwa die Laserleistung, der Vorschub des Laserstrahls, die Chopperdrehzahl sowie das Inertgas herangezogen. Beim "Electron Beam Texturing" wird zum Aufschmelzen des Werkstoffs der Prägefläche ein Elektronenstrahl angewendet. Ein Teil des aufgeschmolzenen Materials verdampft, sodass der Dampfdruck die Schmelze zu einem Ring um den Krater anhäuft. Beim "Pretex"-Verfahren wird die Prägefläche elektrolytisch hartverchromt. Die Steuerung der Spannung zwischen der Anode und der als Kathode dienenden Prägefläche führt dazu, dass auf der Oberfläche kugelabschnittförmige Strukturelemente abgeschieden werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Umformungswerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 10.
Wenngleich die vorliegende Erfindung im technischen Umfeld von Werkzeugen zur plastischen Umformung und Strukturgebung, insbesondere Arbeitswalzen bzw. Dressierwalzen, zum Einsatz kommt, kann die Erfindung ggf. auch in anderen Bereichen umgesetzt werden. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Figur

Die Figur 1 zeigt schematisch den Ablauf eines Nachwalzprozesses, bei dem mittels einer strukturierten Prägefläche einer Arbeitswalze einem Metallband eine Struktur plastisch eingeprägt wird.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht dazu beabsichtigt sind, die Erfindung zu beschränken, sondern der Erläuterung der Erfindung dienen, wobei die dargelegten Merkmale oder Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele nicht immer essentiell für die Erfindung sein müssen.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Prozess des Nachwalzens eines Metallbandes bzw. -blechs 1, das ein Beispiel der allgemeineren Bezeichnung "Substrat" ist. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet nicht nur ein Metallband, sondern deutet auch auf dessen Oberflächenstruktur, wie sie vor dem Nachwalzen, am Bandeinlauf der Walzanlage 2 vorliegen könnte. Das Metallband 1 hat an dieser Stelle neben der Oberflächenstruktur, die im Folgenden als OE bezeichnet wird, eine Banddicke h und eine Fließspannung kf.
Mittels der Walzanlage 2 wird eine geeignete geometrische Struktur bzw. Textur in einem kombinierten Präge- und Dickenreduktionsvorgang auf eine oder beide Oberflächen des Metallbandes 1 aufgebracht. Mit anderen Worten findet in der Walzanlage 2 nicht nur die Einprägung einer Struktur in die Oberfläche des Metallbandes statt, sondern das Band erfährt ferner eine Längung, die mit einer Dickenreduktion verbunden ist. Neben der eigentlichen Texturierung erfolgt somit eine Verformung entlang einer weiteren Hautrichtung, im vorliegenden Fall der Längs- und Transportrichtung des Bands 1. Indem diese beiden Prozessschritte (Längung und Strukturgebung) gemeinsam ausgeführt werden, lässt sich die Produktivität des Verarbeitungsprozesses steigern. Darüber hinaus können Oberflächentexturen hoher Umformungsgrade bzw. hoher Rauheit realisiert werden, die ohne eine solche begleitende Verformung entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen nicht oder nur unter großem Aufwand, etwa mit einer erheblichen Vergrößerung des Walzendurchmessers, realisierbar wären. Im vorliegenden Beispiel hat die Arbeitswalze 3, also jene Walze, welche die Prägefläche mit einer bestimmten Oberflächenstruktur aufweist und diese in das Substrat 1 einprägt, einen Durchmesser von nur ca. 400 mm. Andere Durchmesser sind selbstverständlich ebenfalls möglich. Beispielsweise wurden Versuche erfolgreich mit einem Walzendurchmesser von ca. 230 mm durchgeführt. Wichtig ist die Erkenntnis, dass eine Prägung mit Walzen vergleichsweise geringer Durchmesser möglich ist, mit einer Prägequalität, die bisher größeren Walzen vorbehalten war. Der Durchmesser der Arbeitswalze wird mit D bezeichnet. Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Prägung mittels mehrerer Arbeitswalzen möglich ist, sofern beide Seite des Bandes geprägt werden sollen oder das herzustellende Muster mehrere Prägeschritte erfordert.
Die Arbeitswalze 3 weist eine Prägefläche auf, die in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet ist. Die Prägefläche 4 hat eine Struktur, die dem Substrat 1 aufgeprägt werden soll. Die Struktur der Prägefläche 4 lässt sich mit einer Funktion beschreiben, die im Folgenden als OW bezeichnet werden soll.
Die resultierende Oberflächentextur, als jene Struktur, die am Auslauf der Walzanlage 2 letztlich auf dem Substrat 1 anliegt und mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist, ist nicht nur eine Funktion von OW, sondern hängt von weiteren Prozessparametern ab; beispielsweise der Verlängerung ε aufgrund der Dickenreduktion durch das Walzen, der Walzgeschwindigkeit v, dem Bandzug am Einlauf FE, dem Bandzug am Auslauf FA und der Reibung µ im Walzenspalt. Ein oder mehrere dieser Parameter bestimmen die Längung des Bandes entlang der Transportrichtung des Bands. Es handelt sich hierbei um eine Verformung, welche die von der Prägefläche 4 der Arbeitswalze 3 vorgegebene Struktur verzerrt, wodurch herkömmlicherweise eine unbeabsichtigte Anisotropie der Struktur am Bandauslauf vorliegt.
Die Oberflächenstruktur 5, die nach dem Walzschritt, d.h. am Auslauf der Walzanlage 2 anliegt, wird mit einer Funktion OA beschrieben. OA hat allgemein folgende Form: $OA = f (OW; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ)$
Die Bezeichnungen "Isotropie" und "Anisotropie" beziehen sich im vorliegenden Text auf wenigstens eine oder mehrere geometrische Eigenschaften, die sich in der Prägefläche 4 und in der Zielstruktur 5 identifizieren und miteinander vergleichen lassen. Wenn die Prägefläche 4 der Arbeitswalze 3 beispielsweise Kreise aufweist, die auf der Bandoberfläche 5 am Ausgang der Walzanlage 2 zu Ellipsen mit zur Transportrichtung paralleler Hauptachse geführt haben, dann wurde die Struktur OW anisotrop verzerrt.
Um den Grad der Anisotropie, allgemein der Verzerrung, beim Walzen zu vermindern, kann, wie bereits erwähnt, der Durchmesser der Arbeitswalze vergrößert werden oder es kann etwa eine Erhöhung der Walzspaltreibung angestrebt werden. Beide Möglichkeiten sind mit technischen und/oder betriebswirtschaftlichen Nachteilen, wie etwa einer baulichen Vergrößerung der Anlage und eines größeren Energiebedarfs, verbunden.
Die im Folgenden dargestellte technische Lösung setzt an anderer Stelle an. In der Terminologie der obigen Walzanlage 2 wird die gewünschte Oberflächenstruktur OA des Aluminiumbandes 1 unabhängig vom Umformungsgrad durch die Arbeitswalze 3 erzeugt, durch Wahl einer gestauchten, allgemein verzerrten, Oberflächentextur OW. Die verzerrte, meist anisotrope Oberflächentextur 4 der Arbeitswalze 3 wird als Inverse der Übertragungsfunktion OA gewählt und auf die gewünschte Zieltextur OW angewendet. Die Struktur, welche die Übertragungsfunktion OA definiert, wird im vorliegenden Text als Prägeabbildungsstruktur bezeichnet. Es findet ein kombinierter Präge- und Dickenreduktionsvorgang durch die Arbeitswalze 3 mit einer geeignet geometrisch verzerrten Prägestruktur statt, wodurch aufgrund der Längung des Bands 1 die gewünschte Zielstruktur erhalten wird. Die Art und der Grad der geometrischen Verzerrung des Musters auf der Prägefläche 4 werden so gewählt, dass es der inversen Übertragungsfunktion OA auf das Substrat 1 entspricht: $OW = f^{- 1} (OA; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ)$
Eine etwaige Feinjustierung der Abprägungseigenschaften von der Arbeitswalze 3, oder allgemein vom Werkzeug, auf das Substrat 1 kann durch Veränderung weiterer Prozessparameter, beispielsweise der Bandzüge am Einlauf FE und Auslauf FA, der Verlängerung ε, der Walzgeschwindigkeit v und/oder der Reibung im Walzspalt (Schmierung) µ realisiert werden.
Ausführungsbeispiel für die Übertragungsfunktion der einfachen Verstreckung
OA dargestellt durch Höhenprofil zA (x, y)
OW dargestellt durch Höhenprofil zW (x, y)
x: Walzrichtung
y: Breitenrichtung $zA (x, y) = - zW (x / (1 + C_{2} * ε), y) / C_{1}$
mit Faktoren C₁, C₂ >0, die von weiteren Prozessbedingungen wie h und µ abhängig sein können.
Die Umkehrung lautet: $zW (x, y) = - C 1 * zA (x * (1 + C 2 * ε), y)$
Eine Feinjustierung beispielsweise über die Verlängerung ε und den Bandzug FE am Bandeinlauf sähe wie folgt aus: $ΔOA = [\partial f (OW; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ) / ∂ε] Δε+ [∂f (OW; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ) / ∂FE] ΔFE$
Nachdem die Prägestruktur auf diese Weise ermittelt wurde, kann die Prägefläche gefertigt werden. Dazu stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, wie beispielsweise das "Shot Blast Texturing" (SBT), "Electrical Discharge Texturing" (EDT), "Laser Texturing" (LT), "Electron Beam Texturing" (EBT), Pretex.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Substrat am Bandeinlauf
2 Walzanlage
3 Arbeitswalze
4 Prägefläche
5 Substrat mit Zielstruktur am Bandauslauf

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Umformungswerkzeugs (2), das eine strukturierte Prägefläche (4) aufweist, die zur plastischen Umformung eines Substrates (1) mit einer Oberfläche desselben in Kontakt bringbar ist, wobei das Verfahren aufweist:
Bestimmen einer auf dem Substrat (1) herzustellenden Zielstruktur;

geometrisches Verzerren der Zielstruktur, wodurch eine Prägeabbildungsstruktur erhalten wird;

Invertieren der Prägeabbildungsstruktur, wodurch die Prägestruktur für die Prägefläche (4) erhalten wird;

Erzeugen der Prägefläche (4) des Umformungswerkzeugs (2) gemäß der Prägestruktur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielstruktur durch eine Übertragungsfunktion (OA) beschrieben wird, deren Parameter die Prägestruktur und einen oder mehrere Prozessparameter enthalten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Prozessparameter das Umformverhalten des Substrats (1) während der plastischen Umformung entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter einen, mehrere oder alle der folgenden Parameter enthalten: die Substratdicke, die Fließspannung des Substrat (1), eine geometrische Größe der Prägefläche (4), die Verlängerung des Substrats (1) beim Umformen entlang einer Hauptrichtung, die Prägegeschwindigkeit, der Zug entlang einer oder mehrerer Hauptrichtungen beim Umformen, einen Reibungskoeffizienten zwischen Prägefläche (4) und Substrat (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformungswerkzeug (2) eine Arbeitswalze (3), vorzugsweise eine Dressierwalze, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielstruktur durch eine Übertragungsfunktion beschrieben wird, deren Parameter die Prägestruktur und einen, mehrere oder alle der folgenden Prozessparameter enthält: die Substratdicke, die Fließspannung, den Durchmesser der Arbeitswalze (3), die Verlängerung des Substrats (1) entlang der Walzrichtung, die Walzgeschwindigkeit, den Substratzug am Einlauf der Arbeitswalze (3), den Substratzug am Auslauf der Arbeitswalze (3), die Reibung im Walzspalt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Blech, vorzugsweise eine Metallblech, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägestruktur eine anisotrope Eigenschaft hat, deren Pendant in der Zielstruktur isotrop ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägefläche (4) mittels eines, mehreren oder allen der folgenden Verfahren hergestellt wird: SBT, EDT, LT, EBT, Pretex.
Umformungswerkzeug (2), das eine strukturierte Prägefläche (4) aufweist, die zur plastischen Umformung eines Substrates (1) mit einer Oberfläche desselben in Kontakt bringbar ist,
wobei das Umformungswerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, und das Umformungswerkzeug (2) eine Arbeitswalze (3) hat, deren Oberfläche die Prägefläche (4) aufweist, und die Struktur der Prägefläche (4) mehrere ellipsenförmige Gebilde aufweist, deren Hauptachsen quer zur Walzrichtung liegen.