Groche, Peter ; Steitz, Manuel (2016)
Maßgeschneiderte Werkzeugoberflächen zur Reibungs- und Verschleißreduktion in der Blechumformung.
Buch, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Forschungsvorhaben zielt auf eine Reibungs- und Verschleißreduktion in der Blechumformung durch deterministische Mikrostrukturierung von Ziehwerkzeugen ab. Zum Erreichen dieses Ziels wird das bereits in der konventionellen Prozesskette des Werkzeugbaus eingesetzte Verfahren des maschinellen Oberflächenhämmerns weiterqualifiziert. Die Verwendung einer Mikrospitze auf dem Hammerkopf erlaubt es während des regulären Hämmerprozesses zusätzlich Mikroschmierstofftaschen in die Oberfläche des Werkzeugs einzubringen. Dazu ist es Ziel des ersten Arbeitspakets, optimierte Strukturierungsmuster zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wird das Mikrofräsen als geeignetes Verfahren zur Fertigung der Hammerköpfe mit definierter Mikrospitze identifiziert. Die Analyse des Strukturierungsprozesses mittels numerischer Simulation zeigt, dass der Einglättungsprozess der gefrästen Ausgangsoberfläche nicht signifikant durch die Mikroabdrucke beeinflusst wird. Dies zeigt sich auch in den experimentellen Untersuchungen, in denen definierte Mikrostrukturen in einem deterministischen Muster hergestellt werden können. Während sich die Bearbeitung des globularen Graugusses aufgrund einer Oberflächenzerrüttung als herausfordernd darstellt, ist die Mikrostrukturierung eines Werkzeugstahls auch mit den bekannten Verfahrensparametern für das konventionelle Hämmern möglich. Auf Basis dieser Ergebnisse werden im zweiten Arbeitspaket Reibwertanalysen an mikro-strukturierten Reibbacken aus 1.2379 durchgeführt. Hier können keine Nachteile im direkten Vergleich zu gehärteten und polierten Proben gemäß dem industriellen Stand der Technik beobachtet werden. Unter angepassten tribologischen Lasten ist es sogar möglich, den Reibwert teils signifikant zu reduzieren. Dabei zeigen sich die wirkende Kontaktnormalspannung, der eingesetzte Schmierstoff und der Bedeckungsgrad der Mikrostrukturen als wesentliche Einflussfaktoren. In den nachfolgenden Verschleißuntersuchungen kann die Langzeitbeständigkeit der Strukturen nachgewiesen werden. Abhängig von der Strukturanordnung ist es möglich, die Werkzeugoberfläche insbesondere vor adhäsivem Verschleiß zu schützen. Zusätzlich sammeln sich abgeriebene und abrasiv wirkende Zinkpartikel in den vorhandenen Schmierstofftaschen. Mithilfe eines optimierten Rundnapfwerkzeugs werden im dritten Arbeitspaket die Ergebnisse aus den Laborversuchen auf eine industrienahe Anwendung übertragen. Auch hier können die tribologisch günstige Wirkung der Mikrostrukturen nachgewiesen und das Prozessfenster beim Tiefziehen erweitert werden. Das vierte Arbeitspaket umfasst die Weiterqualifizierung des eingesetzten globularen Graugusses. Hier kann das Problem der Einfallstellen auf der Werkzeugoberfläche nach dem Hämmerprozess nahezu vollständig beseitigt werden. Durch gezielte Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit ist es möglich, das Auftreten der üblicherweise im Werkstoff vorhandenen oberflächennahen Lunker zu verhindern. Dies ermöglicht den Abguss eines „hämmerbaren" GGG70L-Werkstoffs. Aus der Gesamtheit der gesammelten Ergebnisse werden schließlich Handlungs- und Gestaltungsrichtlinien abgeleitet. Diese sind in einem Merkblatt zusammengefasst. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Summary The research project aims at reducing friction and wear in sheet metal forming by deterministic micro-structuring of deep drawing tools. To achieve this goal the technology of machine hammer peening, which is already used in the conventional process chain of tool production, is further qualified. The use of a micro-tip on the hammer head allows introducing micro-lubricant pockets in the surface of the tool during the regular hammering process. Therefore, the aim of the first work package is to develop optimized structure patterns. In this context, micro-milling has been identified as a suitable method for the production of hammer heads with a defined micro-tip. The numerical analysis of the structuring process shows that the smoothing process of the initially milled surface is not significantly affected by the micro-imprints. This is also confirmed in the experimental studies in which defined micro-structures can be produced in deterministic patterns. While hammering of a cast iron was challenging due to surface disruption, the structuring of tool steel with conventional hammering parameters is possible without problems. Based on these results, the determination of the resulting friction coefficient is performed on a micro-structured sampled made of AISI D2. No disadvantages in direct comparison to hardened and polished tools could be observed. Providing special tribological loads, it was even possible to reduce the coefficient of friction significantly. Here, the occuring contact normal stress, the lubricant and the coverage of the micro-structures show an essential influence. In subsequent wear tests, the long-term stability of the structures can be proved. Depending on the pattern of the lubricant pockets it is possible to protect the tool surface especially against adhesive wear. In addition, abrasive zinc particles are accumulated in the existing lubricant pockets. Using an optimized drawing tool for rotationally symmetric cups, the results from the laboratory tests are transferred into an industry-oriented deep drawing application in the third work package. Here, the tribologically advantageous effect of the micro-structures is proven and the process window can be extended. The fourth work package includes the further qualification of the globular cast iron. The problem of sink marks on the tool surface after the hammer peening process is almost completely eliminated. By controlling the cooling rate, it is possible to prevent the usually occurring near-surface shrink holes. This allows the cast of a “hammerable” GGG70L-material. Finally, guidelines are derived from the results. These are summarized in a leaflet. The aim of the project was achieved.

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