Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Tribologische Optimierung von Schneidstempeln durch Mikrostrukturierung mittels MOH

Maschinelles Oberflächenhämmern (MOH) ist ein dynamischer Prozess zur Einglättung technischer Oberflächen, zur Härtesteigerung sowie zur Beaufschlagung der Bauteilrandschicht mit Druckeigenspannungen. Weiterhin können mit speziell geformten Hammerköpfen Strukturen in die Oberfläche eingebracht werden, die während eines Umformprozesses als Schmierstofftaschen wirken. Diese Strukturen bewirken in der Blechumformung nachweislich eine Verringerung des Reibwertes sowie eine Minderung von Verschleißerscheinungen. Bislang sind die Verschleißerscheinungen auf Schneidstempeln während des Prozesses jedoch noch nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht.

In diesem Projekt soll das Einbringen von Oberflächenstrukturen auf Schneidstempeln zum Einsatz auf einer mechanischen Presse untersucht werden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden unterschiedliche Strukturen auf die Mantelfläche der Schneidstempel aufgebracht. Während der Verwendung der Stempel wird die resultierende Prozesskraft überwacht. Basierend auf den Messdaten und dem Oberflächenzustand der Werkzeuge wird eine Korrelation zwischen der Anzahl der Hübe und Verschleißerscheinungen auf dem Stempel abgeleitet. Es soll gezeigt werden, dass mittels MOH eingebrachte Oberflächenstrukturen nicht nur den Verschleiß mindern können, sondern sich auch für den Schneidprozess charakteristische Kenngrößen wie Schneid-, Durchdrück- und Rückzugkraft mittels Inline-Messungen bereitgestellt werden können. Durch verlängerte Standzeiten und planbarere Wartungsintervalle kann so ein Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, insbesondere für KMU, ermöglicht werden, deren Struktur meist keine großen Wartungs- und Instandsetzungsabteilungen aufweist.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde eine Vorgehensweise zur Strukturierung von Schneidstempeln durch maschinelles Oberflächenhämmern entwickelt. Dazu wurden tribologisch sensitive Phasen des Scherschneidens anhand experimenteller Versuche und einem numerischen Modell identifiziert. Gleichermaßen wurde das maschinelle Oberflächenhämmern anhand eines Abstraktionsversuchs und Realversuchen charakterisiert. Zudem konnten anhand eines FEM und speziell aufgezeichneter Fließkurven für hochfesten Stahl Handlungsrichtlinien abgeleitet werden. Die Erkenntnisse mündeten zunächst in Fertigungsrichtlinien zur Produktion von MOH Werkzeugen mit Mikrospitze. Es wurde eine Anlage konstruiert und in Betrieb genommen, die die automatisierte Strukturierung von Stempelmantelflächen erlaubt. In einer Tribometerstudie wurden unterschiedliche Strukturierungsstrategien untersucht und experimentell validiert. Schließlich wurden industrielle Schneidstempel mit unterschiedlichen Parametern strukturiert und unter Variation verschiedener Prozessgrößen untersucht. Lebensdauer und Schneidkraft konnten reduziert werden. Dies bestätigt die Anwendbarkeit der Methode zur industriellen Anwendung.

Die beschriebenen Methoden zur tribologischen Eigenschaftsverbesserung sind insbesondere für Lastkollektive der Blechumformung vorteilhaft. Die Abschätzung der Verschleißfestigkeit oder Werkzeugstandzeit hilft bei der optimierten Planung des Wartungsintervalls in der Produktion und der Reduktion von Ausschuss. Neben Anwendern der Blechumformung sind die vorgestellten Methoden auch von Schmierstoffherstellern und Werkzeugbauern nutzbar. Die beschriebene Methode ermöglicht es Werkzeuge durch maschinelles Oberflächenhämmern gemäß ihrem Einsatzfeld zu strukturieren und so deren Lebensdauer zu verbessern.