WO2016083026A1 - Oberflächentexturierung von umformungswerkzeugen - Google Patents

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WO2016083026A1
WO2016083026A1 PCT/EP2015/074288 EP2015074288W WO2016083026A1 WO 2016083026 A1 WO2016083026 A1 WO 2016083026A1 EP 2015074288 W EP2015074288 W EP 2015074288W WO 2016083026 A1 WO2016083026 A1 WO 2016083026A1
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embossing
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rolling
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PCT/EP2015/074288
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Arnt Kohlrausch
Hartmut Pawelski
Markus SCHELLMANN
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Sms Group Gmbh
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    • Y10T29/49544—Roller making
    • Y10T29/4956—Fabricating and shaping roller work contacting surface element

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Umfornnungstechniks having a structured embossing surface, which is for the plastic deformation of a substrate with a surface thereof brought into contact. Furthermore, the invention relates to such a forming tool.
  • the goal is to impress a stamping of the surface structure of the embossing surface in the relevant surface of the substrate by plastic deformation.
  • Such an embossment which superimposes any existing material and / or process-related near-surface roughness structure, can be made of optical, tribological,
  • SBT Shot Blast Texturing
  • EDT Electrical Discharge Texturing
  • LT Laser Texturing
  • EBT Electron Beam Texturing
  • Main direction In order to stay with the example of the rolling process, in this case, a decrease in thickness of the substrate takes place, which leads primarily to an elongation.
  • the elongation is usually wanted and also unavoidable. It leads to a stretching of the material in the rolling direction.
  • An extension transverse to the rolling direction does not take place or hardly occurs.
  • the elongation, or more generally the deformation along one or more principal directions has the consequence that a structure applied to the surface or applied to the surface corresponds to the degree of deformation along the main directions (when rolling according to the degree of reduction in thickness or elongation) is distorted geometrically.
  • An originally circular structure for example, is deformed to an ellipse whose major axis is parallel to the rolling direction.
  • the quality of the impression can be significantly affected by this process-related distortion.
  • an undistorted image is desired, but this is only the case if a deformation along such directions, which do not belong to the texturing, ie along the above-mentioned main directions, is avoided.
  • a significant conflict of objectives in the plastic forming with surface texturing is thus that a high quality of the embossing precludes a high degree of deformation.
  • a high degree of deformation along one or more main directions such as a strong reduction of the material at constant mass flow, in turn, promotes productivity. In this respect, an increase in productivity also precludes the quality of the desired surface texture.
  • Forming degree can be achieved with improved quality impression.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and a forming tool having the features of claim 10.
  • the inventive method is used to prepare a
  • Forming tool having a textured embossing surface.
  • the structured embossing surface can be brought into contact with the surface of a substrate for plastic deformation of a substrate.
  • the preferred structured embossing surface can be brought into contact with the surface of a substrate for plastic deformation of a substrate.
  • Rolling process is the substrate, for example, a metal sheet to be rolled, and as the embossing surface is preferably the peripheral surface of a work roll, such as a temper rolling.
  • the invention is also suitable for other forming processes, such as forging, stamping, stamping or plating.
  • a target structure to be fabricated on the substrate which is also called a texture
  • the target structure could be clearly represented as a two-dimensional function, a mountain and valley profile depending on the position on the surface.
  • the target structure is isotropic, i. at least in some respects direction-independent, designed.
  • the definition of the target structure may also include a measure of roughness (average roughness, squared roughness, average roughness, peak number, etc.). Unintentional distortion of the target structure was particularly evident in the past in structures of high roughness or high degrees of deformation. This problem solves the problem
  • the target structure is then geometrically distorted, resulting in a structure that will be referred to herein as a mintage mapping structure.
  • the geometric distortion includes, in particular, upsetting and stretching of the target structure.
  • the purpose of this transformation is to create an indispensable and usually desired deformation of the substrate along one or several main directions.
  • the main direction is a direction that is not determined by the profiling or texturing along which, nonetheless, a plastic deformation of the substrate takes place during profiling. Is this the case
  • Rolling process corresponds to the said main direction of the rolling direction; because along the rolling direction, a stretching or elongation of the material takes place, which comes about through the rolling action, but not through the actual structure.
  • Substrate does not take place, or at least barely, so that in
  • Rolling process of a deformation along only one main direction can be assumed.
  • Rolling direction For example, if the target structure consists of a plurality of circles, they are consciously and intentionally compressed into ellipses within the geometric distortion, their main axes being transverse to the rolling direction.
  • the embossing image structure is then inverted, thereby obtaining a structure called an embossed structure.
  • the embossing structure is the structure with which the embossing surface of the forming tool is to be provided.
  • the invention allows a high degree of embossment from the tool to the substrate without creating unintentional distortions on the target texture. It can be realized high roughness, without such a negative the quality of the target structure.
  • regular and / or isotropic structures with a high degree of deformation can be produced with the method presented here.
  • a distortion is to be considered directly.
  • low degrees of deformation and / or other disadvantageous technical solutions were required.
  • the target structure is preferably described by a transfer function whose parameters or arguments contain the embossed structure and one or more process parameters.
  • the process parameters describe the forming behavior of the substrate during the plastic deformation along one or more main directions.
  • the term "process parameters" is generally understood herein and includes parameters of the substrate to be processed as well as those parameters that describe properties of the forming tool.
  • the deformation along a main direction may depend on the substrate thickness, for example the sheet thickness or strip thickness during rolling.
  • the formability may depend on the yield stress of the material.
  • a geometric size, in the rolling process about the diameter of the roller, can also
  • Influence forming behavior of the substrate The larger the roll diameter, the smaller the elongation in the rolling direction.
  • Other parameters that may play a role in this regard are the embossing speed, for example the rolling speed in the rolling process, the tension along one or more main directions during forming, a coefficient of friction between Embossing tool and substrate and / or another measure for the extension of the material.
  • the embossing pattern has an anisotropic geometric property whose counterpart is isotropic in the target structure.
  • the embossing structure in its entirety may be anisotropic, i. Depending on the direction (analogous to the target structure in its entirety isotropic, i.e. direction-independent), or only one or more geometric properties of the structure can be anisotropic or isotropic
  • the target structure is made up of a plurality of circles, then these circles may be anisotropically distributed.
  • the structure would have a corresponding isotropic property - the circles. In the embossed structure these circles would be compressed to ellipses.
  • the roughness can be determined by the speed of the blast wheel, the abrasive, the hardness of the
  • Electrodes are applied to the preferably moving embossing surface (such as the rotating one
  • High voltage pulse of the electric generator creates a sufficiently high electric field strength between electrode and substrate, so that it in
  • Dielectric between two poles comes to a spark discharge.
  • the fuel flow flows in the plasma of the forming arc.
  • a small area of the embossing surface is melted.
  • In the dielectric gas bubbles form.
  • Roughness can be adjusted in addition to the hardness of the embossing surface via parameters such as voltage, current, control times and distance of the electrodes. Compared to SBT, EDT can produce higher peak numbers and lower roughness with higher reproducibility.
  • Laser texturing focuses a laser beam onto the embossing surface and melts a small area of the surface.
  • a chopper wheel or a suitable electronic control interrupts the jet, and the melt is blown out by the pressure of the plasma and an inert gas.
  • the melt either collects around a bead around the edge of the crater or is piled up on one side of the crater and solidifies there.
  • Embossing surface applied an electron beam. Part of the molten material vaporizes so that the vapor pressure accumulates the melt into a ring around the crater. In the "Pretex" process, the embossing surface is electrolytically hard-chrome plated. The control of the voltage between the anode and the stamping surface serving as a cathode causes that on the surface
  • the invention further relates to a forming tool which has a structured embossing surface, which can be brought into contact with the surface of a substrate for the plastic deformation of a substrate, wherein the forming tool is produced according to the method according to the invention and / or one of its preferred developments.
  • the structure of the embossing surface of the forming tool preferably has an anisotropic geometric
  • the structure of the embossing surface preferably has a plurality of elliptical structures whose main axes are transverse to the rolling direction.
  • the lie Preferably, the lie
  • FIG. 1 shows schematically the sequence of a re-rolling process in which a structure is plastically impressed on a metal strip by means of a structured embossing surface of a work roll.
  • FIG. 1 schematically shows a process of re-rolling a
  • Metal strip 1 which is an example of the more general term "substrate”.
  • the reference numeral 1 denotes not only a metal strip, but also indicates its surface structure, such as before re-rolling, on Bandeinvier the rolling mill 2 could be present.
  • the metal strip 1 has at this point in addition to the surface structure, which is referred to below as OE, a strip thickness h and a yield stress kf.
  • OE surface structure
  • a strip thickness h a strip thickness h
  • yield stress kf yield stress
  • the diameter of the work roll is denoted by D. It should also be noted that embossing by means of several work rolls is possible if both sides of the strip are to be embossed or the pattern to be produced requires several embossing steps.
  • the work roll 3 has an embossing surface, which in the figure 1 with the
  • the embossing surface 4 has a structure which is to be impressed on the substrate 1.
  • the structure of the embossing surface 4 can be described by a function, which will be referred to below as OW.
  • Rolling mill 2 ultimately rests on the substrate 1 and is designated by the reference numeral 5, is not only a function of OW, but depends on other process parameters; for example, the extension ⁇ due to the
  • Thickness reduction by rolling the rolling speed v, the strip tension at the inlet FE, the strip tension at the outlet FA and the friction ⁇ in the nip.
  • One or more of these parameters determine the elongation of the tape along the transport direction of the tape. This is a deformation which distorts the structure predetermined by the embossing surface 4 of the work roll 3, whereby there is conventionally an unintentional anisotropy of the structure at the strip outlet.
  • OA generally has the following form:
  • isotropy and “anisotropy” in the present text refer to at least one or more geometric properties that can be identified in the embossing surface 4 and in the target structure 5 and compared with each other. If the embossing surface 4 of the work roll 3, for example, has circles which have led on the strip surface 5 at the output of the rolling mill 2 to ellipses with parallel to the transport direction major axis, then the structure OW was anisotropically distorted. As already mentioned, in order to reduce the degree of anisotropy, in general the distortion during rolling, the diameter of the work roll can be increased or, for example, an increase in the nip friction can be sought. Both possibilities are with technical and / or
  • the distorted, usually anisotropic surface texture 4 of the work roll 3 is called the inverse of
  • Transfer function OA is selected and to the desired target texture OW
  • the structure which defines the transfer function OA is referred to herein as an imprint mapping structure. It arrives
  • any fine adjustment of the impression characteristics of the work roll 3, or generally of the tool, on the substrate 1 can by changing other process parameters, such as the belt tension at the inlet FE and outlet FA, the extension ⁇ , the rolling speed v and / or the friction in the nip ( Lubrication) ⁇ can be realized.
  • Embodiment for the transfer function of the simple drawing
  • the inversion is:
  • the embossing surface can be made.
  • Various techniques are available, such as Shot Blast Texturing (SBT), Electrical Discharge Texturing (EDT), Laser Texturing (LT), Electron Beam Texturing (EBT), Pretex.

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Abstract

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; geometrisch 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.

Description

Oberflächentexturierung von Umformungswerkzeugen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Umfornnungswerkzeugs, 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 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, das eine strukturierte Prägefläche aufweist, die zur plastischen Umformung eines Substrates mit einer Oberfläche desselben in Kontakt bringbar ist, wobei das Umformungswerkzeug gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer seiner bevorzugten Weiterbildungen hergestellt ist. Insbesondere weist die Struktur der Prägefläche des Umformungswerkzeugs vorzugsweise eine anisotrope geometrische
Eigenschaft auf. Wenn die Prägefläche Teil einer Arbeitswalze ist, weist die Struktur der Prägefläche vorzugsweise mehrere ellipsenförmige Gebilde auf, deren Hauptachsen quer zur Walzrichtung liegen. Vorzugsweise liegen die
Hauptachsen aller ellipsenförmigen Gebilde der Prägefläche quer zur
Walzrichtung. 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) ... (1 )
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 Ü bertrag ungsfunktion OA auf das Substrat 1 entspricht:
OW = f1(OA; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ) ... (2)
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 + C2 * ε ) , y) / Ci
mit Faktoren Ci, C2 >0, die von weiteren Prozessbedingungen wie h und μ abhängig sein können.
Die Umkehrung lautet:
zW (x, y) = - C1 * zA (x* (1 + C2 * ε), y)
Eine Feinjustierung beispielsweise über die Verlängerung ε und den Bandzug FE am Bandeinlauf sähe wie folgt aus:
ΔΟΑ = [öf (OW; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ) / d z] Δε +
[3f (OW; OE, D, h, kf, ε, v, FE, FA, μ) / d FE] AFE
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

Patentansprüche 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 Ü bertrag ungsfunktion 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 Umfornnungswerkzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
1 . Umformungswerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Prägefläche (4) eine anisotrope geometrische Eigenschaft aufweist.
2. Umformungswerkzeug nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Umformungswerkzeug (2) eine Arbeitswalze (3) hat, deren Oberfläche die Prägefläche (4) aufweist.
3. Umformungswerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Prägefläche (4) mehrere ellipsenförmige Gebilde aufweist, deren Hauptachsen quer zur Walzrichtung liegen.
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