GALf - Galling in Aluminium forming

Raufoss Technology og Steertec Raufoss er ledende norske bedrifter som prosesserer og former aluminiumdeler. Aluminiumdeler fra de to bedriftene er å finne i nesten 30% av alle europeiske biler og 5% av alle biler produsert på verdensbasis, slik som Mercedes Benz, Audi og BMW. Forming av aluminium utføres ved å presse materialet ved hjelp av et sett av formingsverktøy til ønsket geometri. Kraften som skal til for å danne en bestemt geometri kan bli høy, og formeprosessene utføres derfor ofte i flere trinn. Friksjonen mellom formingsverktøy og aluminium har en stor effekt på formingskreftene og materialflyt. Det er slik at friksjonskreftene, sammen med et stort flatetrykk, øker risikoen for at aluminium kleber seg til, og etter hvert danner et sjikt på overflaten av formingsverktøyet. Dette fenomenet kalles galling. Galling er i dag en begrensende faktor i produksjonen av komplekse geometrier, og årsak til produksjons- og vedlikeholds-stopp, vrakproduksjon og feil på produserte deler og verktøy. Siden galling ofte øker med formehastigheten, begrenser galling også produktiviteten. Det viktigste målet med prosjektet GALF er å utvikle et innovativt belegg- og smøremiddelsystem koblet til avansert verktøygeometri og kunnskap om prosesseringsparametere. Målet er å oppnå kostnadseffektive prosesser gjennom redusert galling. Spørsmålet er hvilke underliggende mekanismer som bestemmer Al-lagets start og videre oppbygging på verktøyet i det komplekse samspillet mellom ulike overflater, og hvordan mekanismeforståelsen kan bidra til løsninger som reduserer galling. For å nå prosjektmålet har GALF ved starten evaluert de mest brukte testmetoder relatert galling, nasjonalt og internasjonalt, for å måle og beskrive galling. Numeriske metoder ble også evaluert, med sikte på å predikere galling og galling tendenser gjennom virtuell testing. Typiske, industrielle utfordringer for de deltagende forme-industriene er diskutert, og relatert til testmetoder som ble beskrevet. Noen formeverktøy fra partnere, anvendt på forskjellige temperaturområder, og brukt med og uten smøremiddel, ble analysert. Resultater ble sammenlignet med resultater fra lab.-skala tester (Raman, PinOnPlate) for å finne ut hvilke overflatesjikter danner seg, før og etter en galling prosess. All input ble brukt til å definere hvilke friksjons- og galling-tester som brukes på laboratorie- og industriskala, og hvordan disse tester evalueres vha. SEM og TEM mikroskopering. Som resultat ble et samarbeid med Uppsala Universitet etablert for en type lab.-skala test (LoadScanner). Testserier ble diskutert og gjennomført i Uppsala, og in etterkant ble det invitert til et seminar i Uppsala hvor vitenskapelige og industrielle temaer ble gjennomgått. Relatert til spørsmålene rund forme verktøy stål ble det hold et åpent seminar på verktøystål på Raufoss. Spørsmålene rund belegningsteknologi, og belegnings effekt ble diskutert i et åpent seminar for belegg teknologi ved NTNU Gjøvik. Lærdom fra pågående SFI -Phd arbeid på kaldsveising av stål og aluminium ble tatt inn i prosjektmøter. Basert på all kunnskap ble det konkludert med at det er behov for en testmetode som gjenspeiler teknologisk høy-temperatur forming. Derfor ble en ny industriskalatest utviklet (SPIKE), og anvendt i prosjektet. Den testmetoden bruker en spesiell verktøygeometri som er utviklet gjennom praktisk testing og simulering i et FEM program. I flere testserier ble varmformingsparametere anvendt, og i andre testserier sto kaldforming i fokus. Som en viktig kilde til mekanismeforståelse ble noen lab.-skala tester utført på varm-forme temperaturer. Der ble testet "tørt", men også med smøremiddel. Målet er å gi mer innsyn i mekanismer som styrer galling i tørt, og smurt varmforme-temperaturområde.

Resultatene planlegges utnyttet i bedriftene gjennom anvendelse av de nye smøremiddel-belegg kombinasjoner som ble definert i produksjon. Industrien bruker resultatene til å forbedre tilbudet sitt i de relevante markeder de betjener. Resultatene som førte til en forståelse av at mer RnD kreves blir brukt i videregående prosjekter. Resultatene blir fulgt opp gjennom interne prosesser i industriene. En statistisk kartlegging av resultat ventes. Aktivitet i industrien fortsetter utover prosjektperioden, der resultatene blir testet og industrialisert. Den antatte fremtidige verdiskapingen som følge av prosjektet er uendret.

Many industries in Norway process and shape aluminium to any required form, among them Raufoss Technology and Steertec Raufoss. The Al forming parts produced by these two companies are represented in almost 30% of the total European and 5 % of the worldwide produced cars, such as Daimler, Audi and BMW. Shaping of Al is performed through a forming process in which a layer of Al is transferred to the forming tool surface due to the friction-induced contact. The build-up and location of this Al transfer layer at the workpiece-tool interface depends on both the process conditions and the tool geometry. This phenomena is called galling and may lead to failure of the tool or the product. Today, galling is the main cause for process scrap during production and part/tool failure. Due to its sensitivity to the forming speed, galling limits the productivity. The overall idea of this project is to optimise coating and lubrication solutions under consideration of tool geometry and process parameters, towards an innovative tool design for a more cost effective production, allowing higher productivity by a reduction of galling. To achieve the new surface solutions will be studied in lab scale reproducing the relevant mechanisms for different temperatures under fully controlled boundary conditions to learn more about galling initiation and influence for different coatings and lubricants. This will be combined with high-resolution microscopic analysis to reveal underlying mechanisms. However, the innovation in coating and lubrication will reduce galling, but not suppress it. Therefore, another important innovation element in this project will be the use of numerical tools to predict galling on short time scales. The second part of the project will focus on the process itself and the possibility of manipulative methods, such as the superposition of vibrations to the forming.