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Umformwerkzeuge Verschleißfeste Werkzeuge für die Umformung von hochfesten Blechen

| Autor/ Redakteur: Volker Franzen, Lukas Kwiatkowski und A. Erman Tekkaya / Dietmar Kuhn

Bei der Erzeugung freigeformter, verschleißfester Oberflächen in Werkzeugen für die Blechumformung weist die Kombination aus thermischem Spritzen von Hartstoffschichten mit nachfolgendem Glattwalzprozess ein vielversprechendes Potenzial auf. Dieses zeigt sich im Vergleich zu anderen Verfahren als sehr wirtschaftlich.

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(Bild: IUL)

Die Herstellung freigeformter Blechformteile stellt vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes hochfester Blechwerkstoffe eine hohe tribologische Beanspruchung der Wirkflächen in Umformwerkzeugen dar. Um der Verkürzung der Werkzeugstandzeiten aufgrund des starken abrasiven Verschleißes entgegenzutreten, werden erfolgreich dünne Hartstoffschichten oder auswechselbare Werkzeugeinsätze aus hochfesten keramischen Werkstoffen genutzt.

Ein alternativer Ansatz ist die Aufbringung hartstoffhaltiger thermisch gespritzter Schichtsysteme, die eine vielfach höhere Abscheidungsrate als PVD- oder CVD-Verfahren und somit eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit und kurze Prozesszeit bei deutlich höherer Schichtdicke aufweisen. Die beschichteten Oberflächen sind zunächst jedoch zu rau, um sie in einem Formwerkzeug nutzen zu können.

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Glattwalzen ist wirtschaftlicher als spanabhebende Verfahren

Daher ist ein Finishing-Prozess zur Glättung der Oberfläche erforderlich. Ein nachfolgender Glattwalzprozess bewirkt die Reduzierung der Rauheit auf ein akzeptables Niveau (Bild 1).

Das Glattwalzen bietet im Vergleich zu spanabnehmenden Oberflächen-Finishing-Verfahren eine vielfach höhere Wirtschaftlichkeit, da die Prozesszeit gegenüber dem Schleifen oder Honen sehr kurz ist. Zudem erfordert ein Schleifprozess ein aufwendiges Abrichten der Werkzeuge, da die Bearbeitung von Hartstoffschichten einen hohen Verschleiß der Schleifwerkzeuge verursacht. Des Weiteren fällt beim Glattwalzen kein Staub oder Schleifschlamm an. Es hat sich im Verlauf der Forschungsaktivitäten zum Glattwalzen thermisch gespritzter Hartstoffschichten am IUL herausgestellt, dass die hier eingesetzten hydrostatischen Glattwalzwerkzeuge mit keramischer Walzkugel bei der Bearbeitung hartstoffhaltiger thermisch gespritzter Beschichtungen sehr hohe Standzeiten erreichen (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Alle hier vorgestellten Komponenten wurden am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) der TU Dortmund in einem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzprozess (HVOF) beschichtet. Als Beschichtungswerkstoff wurde aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit WC12Co gewählt. Der Substratwerkstoff ist ein Stahl der Güte C60.

Reibeigenschaften der Umformwerkzeuge im Flachstreifen-Ziehversuch erprobt

Für den Materialfluss im Tiefziehprozess sind die Reibeigenschaften im Flanschbereich besonders interessant. Daher wurde für die Klassifizierung der Reibeigenschaften der neuartigen Werkzeugwirkflächen der ebene Flachstreifen-Ziehversuch ausgewählt (Bild 3). Beim ebenen Flachstreifen-Ziehversuch wird ein Blechstreifen zwischen zwei ebenen Reibelementen mit einer definierten Flächenpressung pn geklemmt und mit einer konstanten Ziehgeschwindigkeit vd bewegt, sodass eine reibbehaftete Relativbewegung zwischen der Blechoberfläche und den Reibelementen entsteht. Aus der Ziehkraft Fd und der Normalkontaktkraft Fn kann nach dem coulombschen Reibgesetz der Reibkoeffizient µ berechnet werden. In der gezeigten Versuchsreihe sind die Reibkoeffizienten eines ungewalzten, eines glattgewalzten und eines unbeschichteten Reibbackenpaares einander gegenübergestellt. Das Reibverhalten wurde bei variierender Flächenpressung pn untersucht.

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