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Umformwerkzeuge Einstellung der Reibeigenschaften von Hartstoff-Werkzeugschichten

| Autor/ Redakteur: Dirk Biermann, Erman Tekkaya, Sascha Rausch und Volker Franzen / Rüdiger Kroh

Bei hartstoffbeschichteten Umformwerkzeugen wird durch Schleifen oder Glattwalzen die Oberflächenqualität verbessert. Durch die mechanische Nachbearbeitung der Verschleißschutzschicht konnte der Reibkoeffizient signifikant reduziert werden. Die besten Ergebnisse lieferten die geschliffenen Proben.

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Bild 1: Hartstoffschichten erhöhen die Verschleißbeständigkeit von Umformwerkzeugen, allerdings ist eine Nachbearbeitung erforderlich, wie hier das Schleifen eines beschichteten Napfziehwerkzeugs.
Bild 1: Hartstoffschichten erhöhen die Verschleißbeständigkeit von Umformwerkzeugen, allerdings ist eine Nachbearbeitung erforderlich, wie hier das Schleifen eines beschichteten Napfziehwerkzeugs.
(Bild: ISF/IUL)

Eine vielversprechende Möglichkeit zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit von Umformwerkzeugen ist die Aufbringung von Hartstoffschichten durch thermische Beschichtungsverfahren [1]. Insbesondere hat sich dabei das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) als geeignetes Verfahren etabliert, um feinstes Wolframcarbid-Cobalt (WC-Co) auf Stahlgrundkörper zu applizieren [2]. Die Umformwerkzeuge lassen sich jedoch aufgrund der relativ rauen Oberflächen nach dem Beschichtungsprozess nicht direkt einsetzen und müssen mechanisch nachbearbeitet werden.

Mit Flachstreifenziehversuchen dem Reibverhalten auf der Spur

Als geeignete Endbearbeitungsverfahren haben sich das Schleifen und das Glattwalzen bewährt [3 und 4]. In diesem Artikel wird das Reibverhalten von WC-Co-beschichteten Oberflächen beschrieben, welches anhand von ebenen Flachstreifenziehversuchen mit DP600-Proben ermittelt wurde.

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Die untersuchten Reibbacken wurden mit unterschiedlichen Bearbeitungsparametern geschliffen und gewalzt, wobei die Verfahren separat und in Kombination angewandt wurden. Als Referenz dienten dazu geschliffene Reibbacken aus unbeschichtetem Werkzeugstahl C60. Die Topographien und die Rauheit der bearbeiteten Werkstücke und der eingesetzten Blechstreifen wurden mithilfe eines konfokalen Weißlichtmikroskops erfasst.

Die schleifende Bearbeitung der beschichteten Reibbacken erfolgte mit zylindrischen Schleifstiften auf einem Fräsbearbeitungszentrum Deckel Maho DMU 50 evolution (Bild 2). Aufgrund des hohen Hartstoffanteils der Wolframcarbid-Cobalt-Verschleißschutzschicht wurden Diamanten als Schneidmittel mit einer Korngröße von etwa 126 µm ausgewählt. Zur Einsatzvorbereitung der Werkzeuge wurde eine autonome Abrichtspindel mit Siliziumkarbid-Schleifscheiben in die Werkzeugmaschine integriert. Die Abrichtparameter betrugen dabei 2 µm Zustellung pro Überlauf bei einer Gesamtabrichtzustellung von 20 µm.

Die folgende Untersuchung galt dem Glattwalzverfahren

Als zweites Endbearbeitungsverfahren wurde das Glattwalzen angewendet (Bild 3). Im Gegensatz zum Schleifen findet dabei kein Materialabtrag statt, jedoch werden die Profilspitzen der Werkstückoberfläche durch hohe lokale Kontaktkräfte eingeebnet. Mit konstantem hydrostatischen Betriebsdruck wird dabei eine Keramikkugel auf die Werkstückoberfläche gepresst. Das hydrostatische Glattwalzwerkzeug ist für den Einsatz in einem Fräsbearbeitungszentrum konzipiert. Ein Konditionieren des Walzwerkzeugs entfällt.

Die für den Umformprozess relevanten Reibkoeffizienten wurden in Flachstreifenziehversuchen ermittelt (Bild 4). Auf dem Versuchsstand wurden hochfeste DP600-Stahlstreifen (42 mm × 280 mm × 1 mm) zwischen zwei Reibbacken (40 mm × 50 mm) mit konstanter Geschwindigkeit hindurchgezogen. Dabei diente das Tiefziehöl des Typs Illoform PN226 mit einer Viskosität von 66 mm2/s als Schmiermittel. Anhand des coulombschen Reibungsgesetzes µ = Fd/2 · Fn kann mit diesem Messaufbau der Reibkoeffizient µ berechnet werden. Die aufzubringende Ziehkraft Fd wurde dabei durch die Normalkraft Fn respektive die nominale Flächenpressung pn = Fn/An (2 und 10 MPa), mit der die Reibbacken gegeneinandergepresst wurden, sowie die Zuggeschwindigkeit vd (10 und 100 mm/s) der Blechstreifen bestimmt.

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