Kaltmassivumformen Steigerung der Lebensdauer bei Umformwerkzeugen

Durch Kaltmassivumformung sind mechanisch hochbelastbare und präzise Bauteile mit hoher Oberflächengüte werkstoff- und energiesparend herstellbar. Jedoch sind die Werkzeuge großen Beanspruchungen ausgesetzt. Im Rahmen des Bayerischen Forschungsverbundes „Flexible Werkzeugsysteme – For-Werkzeug“ laufen am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) der Universität Erlangen-Nürnberg Untersuchungen zur Verbesserung der Werkzeugtechnik und zur Steigerung der Werkzeuglebensdauer.

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AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Durch die Kaltmassivumformung lassen sich mechanisch hochbelastbare und präzise Bauteile mit hoher Oberflächengüte werkstoff- und energiesparend in großen Stückzahlen herstellen. Aufgrund der hohen Fließspannung des bei Raumtemperatur verarbeiteten Werkstoffes sowie die während der Umformung stattfindende Kaltverfestigung sind Kaltumformwerkzeuge einer hohen Beanspruchung ausgesetzt, die zu einem frühen Werkzeugausfall führt. Die Werkzeugkosten machen deshalb in der Kaltmassivumformung einen hohen Anteil an den Produktionskosten aus und häufige Werkzeugwechsel führen zu hohen Stillstandszeiten der kostenintensiven Produktionsanlagen.

Der Verbesserung der Werkzeugtechnik und der Steigerung der Werkzeuglebensdauer kommt deshalb für die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen eine große Bedeutung zu. Hierzu werden im Rahmen des Bayerischen Forschungsverbundes „Flexible Werkzeugsysteme – For-Werkzeug“ in zwei Projekten, die am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt werden, innovative Ansatzpunkte verfolgt: Die beanspruchungsangepasste Gestaltung der Werkzeugoberfläche durch die drei Verfahren Glatt-/Festwalzen, Beschichten und Laserstrukturieren sowie Laserstrahlwärmebehandeln und der Einsatz von Werkzeug-Formeinsätzen aus technischer Keramik.

Ermüdung durch zyklische Dehnung des Werkzeugs während des Umformvorgangs

Die Werkzeugoberfläche, an der Kontaktnormalspannungen von mehreren 1000 MPa erreicht werden können, hat eine entscheidende Bedeutung für die vorherrschenden Schädigungsursachen Ermüdung und Verschleiß. Ermüdung tritt auf Grund der zyklischen Dehnung des Werkzeugs während des Umformvorgangs auf. Es kommt zur Bildung von Ermüdungsrissen, die zu Ausbrüchen aus der Werkzeugoberfläche und damit zum Ausfall des Werkzeugs führen, wie Bild 1 anhand eines Werkzeugs zum Kaltfließpressen von Wälzlagerkugelrohlingen zeigt. Werkzeugverschleiß beeinträchtigt durch Zerrüttung und Abtrag der Werkzeugoberfläche die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der Werkstücke.

Gegenstand dieses Forschungsprojekts sind höchstbeanspruchte Werkzeuge der Kaltmassivumformung, bei denen gleichzeitig Ermüdung auf Grund hoher Werkzeugdehnungen sowie Verschleiß und Oberflächenzerrüttung auf Grund eines ausgeprägten Werkstoffflusses auftreten und zu einem frühen Werkzeugversagen führen. Zentrales Ziel der Projektarbeit ist es, die Werkzeugoberfläche durch lokale Oberflächenbehandlungen mittels Laserstrahlstrukturierung, Laserstrahlwärmebehandlung oder Glatt-/Festwalzen optimal an die Beanspruchung während des Umformprozesses anzupassen und damit ein neues Potenzial zur Steigerung der Werkzeuglebensdauer zu erschließen (Bild 2).

Hierzu führt das Projekt Unternehmen aus der umformtechnischen Industrie mit spezialisierten Betrieben der Oberflächenbehandlung zusammen. Durch den Einsatz oberflächenbehandelter Werkzeugeinsätze in der Fertigung können Kenntnisse über das Einsatzverhalten und die Lebensdauer der Werkzeuge gewonnen werden. Die betrachteten Verfahren der Oberflächenbehandlung bieten zudem die Möglichkeit, sie lokal begrenzt und damit flexibel an die Beanspruchung angepasst, bei Bedarf sogar in Kombination, anzuwenden.

Untersuchungsergebnisse lokal oberflächenbehandelter Umformwerkzeuge vielversprechend

Bisherige Untersuchungsergebnisse lokal oberflächenbehandelter Umformwerkzeuge sind bereits vielversprechend. Es konnte beispielsweise der Verschleiß an Fließpressstempeln mittels Laserstrahlstrukturierung deutlich verringert werden. Die Strukturierung speichert dabei den Schmierstoff und gibt diesen während des Umformprozesses in die Wirkfuge ab. Dadurch werden die tribologischen Eigenschaften verbessert. Mittels Glatt-/Festwalzen kann ein kostenintensiver, oftmals manueller Fertigungsschritt, das Polieren ersetzt werden. Beim Glatt- / Festwalzen wird eine hydrostatisch gelagerte Kugel über die Werkzeugoberfläche geführt, die diese einglättet, verfestigt und Druckeigenspannungen induziert (siehe Bild 3). Somit können Ermüdungsrisse und Verschleiß an der Oberfläche vermindert werden.

Im weiteren Verlauf des Forschungsprojekts sollen die Parameter der Oberflächenbehandlung für die Anforderungen der Kaltmassivumformung optimiert werden. Dabei fließen die bisherigen Erfahrungen aus der Praxis und Untersuchungsergebnisse an der Hochschule in die Optimierung der Werkzeugoberflächen ein. Erweiterte Berechnungsmöglichkeiten der FE-Simulation für die Werkzeugbeanspruchung und die Wirkung der Verfahren, die im Rahmen des Projekts entwickelt und verifiziert werden, sowie die Zusammenfassung der Versuchsergebnisse in einer Richtlinie sollen die Konstrukteure in den Betrieben in die Lage versetzen, beanspruchungsangepasste, lokale Oberflächenbehandlungen erfolgreich einzusetzen.

Technische Keramik steigert die Werkzeugstandzeit

Technische Keramik als Werkzeugwerkstoff besitzt auf Grund ihrer hohen Härte, hohen Verschleißfestigkeit, hohen Druckfestigkeit, niedrigen Wärmeausdehnung sowie ihrem hohen Elastizitätsmodul ein hohes Potenzial zur Steigerung der Werkzeugstandzeit sowie der Verbesserung der Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Werkstücke. Keramische Werkzeugeinsätze sind sowohl mechanisch wie thermisch hoch belastbar (Tabelle) und verfügen über sehr gute tribologische Eigenschaften. Außer diesen Vorteilen sind jedoch die niedrige Zug- und Biegefestigkeit, Sprödigkeit und die hohen Bearbeitungskosten als Nachteile der Keramik zu nennen.

Anhand eines ausgewählten Umformprozesses beim Industriepartner SSF-Verbindungsteile GmbH (Nürnberg) wird technische Keramik (hier: Siliziumnitrid Si3N4) als Werkzeugwerkstoff für die Kaltmassivumformung verwendet. Die keramikgerechte Auslegung des Gesamtwerkzeugs einschließlich Armierung erfolgte dabei für die zweite Umformstufe für den in Bild 4 dargestellten Schraubenrohling.

Werkzeug mit Finite-Elemente-Simulation (FE-Simulation) ausgelegt

Das mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation (FE-Simulation) ausgelegte Werkzeug besteht aus einem Armierungsring, drei Keramikmatrizen sowie einem Druckstück (Bild 5). Auf Grund der niedrigen Zug- und Biegefestigkeit der Keramik wurde das Werkzeug so ausgelegt, dass alle Spannungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung bei maximaler Prozesslast im Druckbereich liegen. Um eine Spannungskonzentration an der Fließpressschulter in Axialrichtung zu vermeiden, wurde die Matrize geteilt. Durch die Aufbringung einer zusätzlichen axialen Vorspannung (Druckstück) konnten die in der Fließpressschulter auftretenden, versagenskritischen axialen Zugspannungen eliminiert werden. Weiterhin konnten die Zugspannungen in Umfangsrichtung bei einem gewählten Übermaß von 0,6% vermieden werden.

Insgesamt wurden drei Werkzeugeinsätze beim Industriepartner SSF Verbindungsteile-GmbH in der laufenden Fertigung eingesetzt und nach der Produktion untersucht. Die Ergebnisse des dritten Werkzeugeinsatzes zeigen, dass mit Berücksichtigung der thermischen Effekte bei der Erwärmung von Werkzeugformeinsatz und Armierung und bei hoher Genauigkeit der Werkzeugherstellung ein Ermüdungsversagen der Keramikmatrize vermieden werden kann. Somit wurden beim letzten Werkzeugeinsatz Lebensdauerwerte im Bereich der bisherigen Hartmetallmatrizen erreicht. Die im Zuge der Werkzeugoptimierung verbesserten Standzeiten und Streubreiten aller drei Werkzeugeinsätze sind in Bild 6 dargestellt. Dabei sind:

– Werkzeugeinsatz 1: Werkzeugauslegung ohne Zugspannung (einfach armiert)

– Werkzeugeinsatz 2: Werkzeugauslegung ohne Dehnungsanteil im Zugbereich (zweifach armiert)

– Werkzeugeinsatz 3: Werkzeugauslegung ohne Dehnungsanteil im Zugbereich mit Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen und thermische Ausdehnung der Armierungsringe

Hohe Oberflächengüte beu kaltfließgepressten Werkstücken

Kaltfließgepresste Werkstücke weisen im Allgemeinen eine hohe Oberflächengüte auf. Dabei ist die Rauheit in der Regel umso geringer, je größer die vorausgegangene Umformung war. Die üblichen Werte für den flächigen arithmetischen Mittenrauwert Sa liegen bei konventionellen Prozessen im Bereich zwischen 0,8 ?m und 3,2 ?m (gemäß Richtlinie ASME B46.1-1995). Durch den Einsatz von formgebenden Werkzeugmatrizen aus Keramik konnte eine deutliche Verbesserung der Oberflächengüte der Werkstücke erreicht werden. Die Sa-Werte lagen während der gesamten Produktion zwischen 0,184 µm und 0,702 µm (Bild 7).

Durch ihren hohen E-Modul, der niedrigen Wärmeausdehnung sowie der hohen Verschleißbeständigkeit bietet Keramik ebenso großes Potenzial hinsichtlich einer Steigerung der Werkstückgenauigkeit. Diese konnte ebenfalls durch den Einsatz von Keramik deutlich verbessert werden. Die bislang erreichte Genauigkeit (zwischen IT11 und IT14) konnte auf IT6 (Streuung des Werkstückdurchmessers (4,40 mm) kleiner als 8 µm) gesteigert werden.

Dipl.-Ing. Ralf Völkl, Dipl.-Ing. Kay Wagner und M. Sc. Murat Arbak sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) der Universität Erlangen-Nürnberg. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Ralf Völkl, Tel. (0 91 31) 85-2 83 10, voelkl@lft.uni-erlangen.de

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