Geringere Kontaktzeit senkt Werkzeugverschleiß beim Schmieden

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Verschleißtiefe an Schmiedewerkzeugen basierend auf Archard-Modell berechnet

Die Berechnung der Verschleißtiefe Dw an den Werkzeugen basiert auf dem Archard-Modell (siehe Formel). Dieses berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Vickers-Oberflächenhärte H_V der jeweiligen Werkzeugkomponenten. Die Verschleißtiefe ist zudem abhängig von der Kontaktspannung s_N und der Relativgeschwindigkeit v_rel zwischen Werkzeug und Werkstück. Aufgrund der Komplexität des tribologischen Systems in der Wirkzone können nicht alle prozessspezifischen Faktoren berücksichtigt werden. Deswegen ist die Formel um eine Verschleißkonstante K_W (hier K_W = 5,6 × 10^–8) und eine Korrekturkonstante K_F (hier K_F = 1) ergänzt. Diese dienen der Anpassung der Ergebnisse an reale Werte und wurden für verschiedenste Verschleißfälle empirisch bestimmt.

Als Beispiel ist in Bild 4 die simulierte Verschleißtiefe nach dem Ansatz von Archard für Schieber und Begrenzungen aus Bild 2 dargestellt. Es zu sehen, dass lediglich dort Verschleiß entsteht, wo ein Kontakt mit dem Bauteil auftritt. Bei längerer Kontaktzeit mit dem warmen Bauteil erhöht sich der Verschleiß durch thermische und mechanische Belastung. Gründe sind eine lokale Härtereduzierung durch den Temperaturanstieg des Werkzeugs sowie die mechanische Reibung zwischen Bauteil und Werkzeug. Beim mittleren Schieber ist zusätzlich die laterale Werkzeugbewegung durch den erhöhten Verschleiß am oberen Radius zu erkennen.

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In Bild 5 ist der Einfluss des Lagerversatzes auf den simulierten Verschleiß der Werkzeuge aus Bild 2 und 4 nach einer einzelnen Umformoperation dargestellt. Der Lagerversatz ist in Millimetern angegeben und beschreibt den Versatz des Hublagers gegenüber den äußeren Hauptlagern von 3, 4,5 und 6 mm.

Verschleiß an den Schiebern siebenmal höher als an den Begrenzungen

Die linke Begrenzung weist mit durchschnittlich circa 0,11 nm einen erhöhten Verschleiß gegenüber der rechten Begrenzung auf. Bei den Schiebern ist mit steigendem Lagerversatz ein durchschnittlich ansteigender Verschleiß zu erkennen. Der Verschleiß an den Schiebern ist mit durchschnittlich 0,71 nm circa siebenmal höher als an den Begrenzungen. Der erhöhte Verschleiß an der Begrenzung und dem Schieber jeweils links ist durch die Flanschformung zu erklären. Diese führt zu einem erhöhten Stofffluss und dadurch bedingt zu einer vermehrten inneren Reibung, welche die Auskühlung des Bauteils verzögert. Die erhöhte Temperatur an der Bauteiloberfläche führt zu einer Mischung aus mechanischer und thermischer Belastung an den Werkzeugen, welche mit zunehmender Kontaktzeit mit dem warmen Bauteil zunimmt. Folge sind eine sinkende Werkzeughärte sowie lokaler Verschleiß. Aufgrund dieser erhöhten Kontaktzeit ist der Verschleiß an den Schiebern generell höher als an den Begrenzungen (Bild 5 bis 7). Ein steigender Lagerversatz führt zu einem höheren Umformgrad und damit verbundenen längeren Stofffließwegen. Dies bedingt analog zur Flanschformung eine erhöhte innere sowie an der Oberfläche mit dem Werkzeug auftretende Reibung. Daraus resultiert ein erhöhter Verschleiß.

Bild 6 zeigt den Einfluss des Schulterwinkels a auf die Verschleißtiefe der Werkzeuge. Auch hier ist die Verschleißtiefe an den Schiebern mit durchschnittlich circa 0,71 nm höher als an den Begrenzungen (durchschnittlich knapp 0,11 nm). Für die linke Begrenzung, den mittleren und linken Schieber kann ein lokales Minimum bei a = 50° beobachtet werden. Für die Werkzeuge auf der rechten Seite ist zu erkennen, dass ein steigender Schulterwinkel zu einem ansteigenden Verschleiß führt. Grund für die erhöhte Verschleißtiefe an den Schiebern gegenüber den Begrenzungen ist die zuvor beschriebene längere Kontaktzeit und Reibung zwischen Bauteil und Werkzeugen. Das beobachtete Minimum von 0,81 nm bei a = 50° gegenüber 0,93 nm bei a = 30° und bei a = 70° am linken Schieber scheint analog zum mittleren Schieber und der linken Begrenzung ein günstiges Verhältnis zwischen den zwei Bereichen mit unterschiedlichem Querschnitt unter Berücksichtigung der Flanschformung darzustellen. Dies geht mit vorherigen Untersuchungen des Schulterwinkels auf Umformparameter wie der Umformkraft einher [1]. Der an dem rechten Schieber und der rechten Begrenzung erkennbare monotone Anstieg des Verschleißes mit steigendem Schulterwinkel kann durch die Geometrie des Bauteils erklärt werden. Ein hoher Schulterwinkel erhöht das Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Bereiche mit ursprünglichem Querschnitt zugunsten des Volumens (Bild 3). Der Bereich wirkt dadurch gedrungener, kühlt langsamer aus und führt zu erhöhter thermischer Belastung. Für eine fundierte Aussage sind genauere Untersuchungen zur Identifizierung der Auswirkungen der Flanschformung nötig.

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