Auswahl eines Schmierstoffs zum Tiefziehen

Eine der gebräuchlichsten Metallbearbeitungsmethoden ist das Ziehen, bei dem flache Bleche in „becherförmige“ Teile geformt werden. Wenn die Tiefe des geformten Näpfchens gleich oder größer als der Napfradius ist, spricht man von Tiefziehen.

Beim Tiefziehen wird ein Blechzuschnitt über eine geformte Matrize gelegt und das Metall mit einem Stempel in die Matrize gedrückt (sieheAbbildung 1 ). Das hergestellte Stück kann zylindrisch oder kastenförmig mit geraden oder konischen Seiten oder mit einer Kombination aus geraden, konischen oder gebogenen Seiten sein.

Der Stempel muss genügend Kraft aufbringen, damit das Metall über den Rand der Matrizenöffnung gezogen wird und in die Matrize fließen kann. Der Blechzuschnitt muss stark und duktil genug sein, um ein Brechen in den Bereichen zu vermeiden, in denen das Metall von der Stempelfläche zu den Seiten des Stempels fließt.

Charakteristisch für das Tiefziehen ist der hohe Druck – in der Größenordnung von 100.000 Pfund pro Quadratzoll (PSI) –, der beim Vorgang entsteht. Um dieser Kraft standzuhalten, ist die Wahl des Schmiermittels entscheidend für den Erfolg der Operation. Unter diesem Druck sollte das Ziehschmiermittel:

Beim Tiefziehen verwendete Ziehmittel werden als Grenzschmiermittel bezeichnet. Die Werkzeug- und Blechoberflächen werden so fest aneinander gepresst, dass die Flüssigkeit herausgedrückt wird und nur ein sehr dünner adsorbierter Film zurückbleibt. Dieser Film bildet eine „Grenze“ und verhindert den direkten Kontakt von Metall zu Metall unter den Bedingungen von hohem Druck und hoher Temperatur, die während des Tiefziehvorgangs entstehen. Eine ordnungsgemäße Schmierung verhindert Reibung, die zu einer Erwärmung führt und letztendlich zum Versagen eines Schmiermittels führen kann.

Abhängig von der Tiefe eines bestimmten Ziehvorgangs werden unterschiedliche Arten von Ziehschmiermitteln verwendet. Im Allgemeinen hängt die Wirksamkeit eines Tiefziehschmiermittels von seiner Fähigkeit ab, auf der zu ziehenden Metalloberfläche einen adsorbierten Film ausreichender Festigkeit und Öligkeit zu bilden.

Es werden drei Arten von Ziehschmiermitteln verwendet:

Ein typisches Schmiermittel zum Ziehen ist ein seifen-/fettpastenartiges Material mit einer Formulierung aus 5 Prozent Seife, 25 Prozent Öl, 25 Prozent Wasser und 45 Prozent Feststoffen.

Seife und Öl sind für die Bildung des adsorbierten Films zwischen der Metalloberfläche und der Matrize verantwortlich. Zu den Feststoffen gehören Materialien wie Graphit, Kreide, Zinkoxid, Carbonate und Borate. Dies hilft zusätzlich bei der Bildung des Grenzfilms zwischen der Metalloberfläche und der Matrize. Die Kombination aus Öl, Wasser und Seife trägt zur Bildung der Emulsion bei und verhindert so die Trennung des Produkts. Zusätzlich zu diesen Hauptkomponenten können Schmierstoffformulierungen Zusatzstoffe wie Entschäumer und Biozide enthalten.

Abhängig von der erforderlichen Konzentration und der Schwere des Ziehvorgangs kann eine Schmierstoffverbindung als Paste oder nach Verdünnung mit Wasser flüssig eingesetzt werden. Zu den Methoden zum Auftragen von Schmiermittel auf Bleche gehören Eintauchen, Tupfen, Bürsten, Wischer, Rollen oder Umwälzverfahren. Die drei häufigsten davon sind:

Tierische Fette und Erdöle werden traditionell als pastöse Produkte beim Tiefziehen eingesetzt. Obwohl tierische Fette kostengünstige Bestandteile solcher Verbindungen sind, kann es schwierig sein, sie zu entfernen, selbst wenn gezogene und geformte Teile sofort einer Reinigungsanlage zugeführt werden. Außerdem können sie einen Reinigertank schnell beladen und „abtöten“, und wenn stark alkalische Reiniger zusammen mit den Verbindungen verwendet werden, kann sich schnell schwer zu zerstreuender Seifenschaum bilden.

Das Entfernen des Schmierstoffs von einem geformten Teil nach dem Tiefziehvorgang ist wichtig, da der verbleibende Schmierstoff die nachfolgenden Schritte bei der Herstellung des Teils beeinträchtigen kann. Mineralöle, tierische Fette und Pflanzenöle können mit einem organischen Lösungsmittel durch Emulgierung oder Verseifung oder mit einem wässrigen alkalischen Reiniger entfernt werden. Fette können auch mit einem organischen Lösungsmittel oder einem alkalischen Reiniger von Blechen entfernt werden. Allerdings entfernt ein alkalischer Reiniger das Ziehschmiermittel möglicherweise langsamer.

Feststoffe sind schwieriger zu entfernen, da sie nicht leicht löslich sind. Das Vorhandensein von Feststoffen erfordert häufig den Einsatz zusätzlicher Reinigungsmethoden.

Erdöle können von der Entfernung bis zur Entsorgung besondere Probleme aufwerfen. Zur Entfernung dieser Öle ist der Einsatz von alkalischen Reinigungsmitteln erforderlich, die dann die Reinigungstanks mit Öl verunreinigen können, was zu potenziellen Entsorgungsproblemen führen kann.

Pflanzenöle lassen sich mit heißem Wasser entfernen, wenn die Teile sofort gereinigt werden, und mit einem milden bis mäßig alkalischen Reiniger, wenn die Teile nach einigen Tagen Standzeit gereinigt werden.

Um zu entscheiden, welches Schmiermittel für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, sollte ein Hersteller die Schwere des Ziehvorgangs, die Auswahl des verfügbaren Schmiermittels und die Leichtigkeit, mit der sich die Substanz nach dem Ziehen vom Metall reinigen lässt, berücksichtigen.

Ein Hersteller stellt beispielsweise Waschbecken und Badewannen her und verfügt über umfangreiche Transfer- und Bandpresslinien, die durchschnittlich 18 Stunden pro Tag in Betrieb sind. Ein Großteil der Arbeit ist Tiefziehen, das normalerweise in einem Zug ausgeführt wird. Darauf folgt ein Arbeitsgang, bei dem die Abflüsse und Überläufe gebildet werden und die periphere Beschneidung in einem Schlag durchgeführt wird.

Die Wannen werden aus 54 x 74 Zoll großen, sandgestrahlten Kohlenstoffstahlrohlingen auf einer 700-Tonnen-Presse geformt. Die endgültigen Ziehmaße sind 13 Zoll tief, 22 Zoll breit und 51 Zoll lang.

Allerdings kam es in der Vergangenheit bei späteren Einsätzen zu Problemen, weil der verwendete Schmierstoff schwer zu entfernen war. Das Unternehmen verzeichnete während der Porzellanisierungs- und Lackierphase des Herstellungsprozesses eine Ausschussrate von 45 Prozent, da es beim Aushärten zu „Durchplatzungen“ kam, was zu kostspieligen Nacharbeiten führte.

Der Hersteller entschied sich für einen synthetischen Schmierstoff, der eine Mischung aus Pflanzenölen, Alkalien, sekundären Polymerschmierstoffen und Additiven ist, die einen Entschäumer, ein Biozid, einen anorganischen Puffer und einen Nichteisenmetall-Passivator enthalten.

Die verwendeten Pflanzenöle sind Mischungen verschiedener C18- bis C24-Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlichem Sättigungsgrad. Das enthaltene Sekundärschmiermittel ist ein Polymermaterial. Es verbessert die Schmiereigenschaften des Produkts.

Das neue Schmiermittel wurde zunächst mit Walzenbeschichtern in einer Konzentration von 100 Prozent aufgetragen, doch spätere Wellenbildung während des Tiefziehvorgangs deutete darauf hin, dass zu viel Schmierfähigkeit vorhanden war. Das Schmiermittel wurde dann kontinuierlich verdünnt, bis es eine Konzentration von 30 Volumenprozent erreichte. Zu diesem Zeitpunkt hörte die Wellenbildung auf und es wurden akzeptable Wannen hergestellt.

Die Wannen durchlaufen ein dreistufiges Waschsystem, in dem das Schmiermittel vollständig entfernt wird. Beim anschließenden Porzellanisieren ist die Ausschussrate auf Null gesunken.

Ein zweiter Hersteller von Badewannen und Waschbecken verzeichnete ebenfalls eine hohe Ausschussquote, was vor allem darauf zurückzuführen war, dass sich das verwendete Tiefziehschmiermittel nur schwer entfernen ließ, was das ordnungsgemäße Porzellanieren oder Schweißen der Produkte erschwerte.

Seine Wannen werden in einem einzigen Schlag geformt, wodurch gleichzeitig die Wanne und eine vordere Biegung entstehen – ein schwieriges Unterfangen, da drei Seiten gerade sind und die vierte einen 10-Grad-Winkel aufweist. Die gekrümmten Seiten der Wannen erschweren die Operation zusätzlich.

Die Wannen bestehen aus 65 x 52 Zoll großen Zuschnitten aus Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von 0,056 Zoll. Die Spülen werden aus 32 x 38 Zoll großen Zuschnitten gleicher Dicke hergestellt und erfordern einen 9,5-Zoll-Auszug.

Der Hersteller experimentierte mit dem synthetischen Schmierstoff und trug ihn mit einem Rollcoater in abnehmender Konzentration auf, bis er 60 Prozent erreichte. Bei diesem Niveau lieferte das Schmiermittel das richtige Maß an Schmierfähigkeit und hatte eine ausreichende Viskosität, um auf den Walzenbeschichtern zu haften. Nach der Umstellung der Schmierstoffe stellte das Unternehmen einen Rückgang der Materialknickung beim Umformen und eine geringere Ausschussrate fest.

Mary Linda Schumann und Doris Simoes sind leitende Chemiker bei Oakite Products Inc., 50 Valley Road, Berkeley Heights, NJ 07922, 800-526-4474 Durchwahl. 2107. Oakite Products ist ein Hersteller und Vertreiber von Spezialchemikalien und unterstützender Ausrüstung.