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Schmierstofffreies Umformen Trockene Tribosysteme prozessnah beschreiben

| Autor / Redakteur: Marco Teller und Gerhard Hirt / Stéphane Itasse

Zur Charakterisierung neuartiger Oberflächen für den Einsatz in ungeschmierten Kaltmassivumformprozessen ist eine tribologische Untersuchung unter prozessnahen Bedingungen unabdingbar. Zu diesem Zweck wurde eine Vorrichtung zum Prüfen innovativer Verschleißschutzschichten beim bis zu Achtfachen der Anfangsfließspannung des Werkstückwerkstoffs entwickelt.

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(Bild: IBF)

Noch immer wird eine Vielzahl unterschiedlicher Schmierstoffe in den Fertigungsprozessen der Kaltmassivumformung genutzt. Sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht ist ein gänzlicher Verzicht auf Schmierstoffe innerhalb der unterschiedlichen Prozesse erstrebenswert.

Umformen ohne Schmierstoffe senkt Kosten und schont die Umwelt

Durch die Realisierung des so genannten Trockenumformens könnten Entsorgungskosten reduziert und die Anzahl der Prozessschritte durch ein Entfallen der Schmierstoffauftragung und der späteren Reinigung verringert werden. Die wesentliche Aufgabe der Schmierung, den direkten Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück zu verhindern und so vor allem die Gefahr von Kaltverschweißungen zu reduzieren, müsste dann über neuartige tribologische Systeme sichergestellt werden.

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Dabei besteht ebenfalls die Gelegenheit zur Besichtigung des Druck-Torsions-Tribometers. Weitere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung finden Sie unter: www.ask.ibf. rwth-aachen.de.

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Verbundprojekts (SPP1676) wird unter Beteiligung des Instituts für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen an neuartigen Randschichten für das schmierstofffreie Fließpressen von Aluminium und Aluminiumlegierungen geforscht. Dabei werden die Anpassung der Oberflächentopografie durch Laserpolierverfahren, die Beschichtung der Oberflächen mit neuartigen Konzepten und die Kombination beider Entwicklungsstränge zur Lösung der tribologischen Aufgabe verfolgt. Für die Laserpolitur werden sowohl kontinuierliche als auch gepulste Laserverfahren am Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) eingesetzt. Dadurch ist eine gezielte Beeinflussung der Mikro- und Makrorauheit der Stahloberflächen möglich. Bei der Beschichtung wird eine Mo2BC-Schicht verwendet. Diese erst seit 2009 am Lehrstuhl für Werkstoffchemie (MCh) entwickelte Beschichtung zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig noch moderater Duktilität aus und ist damit grundsätzlich prädestiniert für den Einsatz in belastungsintensiven Umformprozessen.

Versuch zeigt Einfluss der behandelten Oberflächen auf den Verschleiß

Zur Charakterisierung und Bewertung der unterschiedlichen neu entwickelten Oberflächenbehandlungen bezüglich ihres Einflusses auf den Verschleiß wurde ein Analogieversuch am IBF entwickelt. Das in Bild 1 dargestellte Druck-Torsions-Tribometer ist für weiche Werkstückwerkstoffe (zum Beispiel Reinaluminium) in der Lage, die umformtechnischen und tribologischen Bedingungen des Vollvorwärtsfließpressens (VVFP) abzubilden [1]. Beim VVFP wird, wie in Bild 2 dargestellt, der Durchmesser eines Werkstücks mithilfe einer Matrize reduziert. Um die Vergleichbarkeit zwischen Prozess und Tribometer gewährleisten zu können, wurden zunächst Finite Elemente Simulationen des VVFP durchgeführt und die prozesstypischen Lastkollektive in der Wirkfuge zwischen Werkstück und Matrize ermittelt.

Vollvorwärtsfließpressprozesse sind durch hohe Kontaktnormaldrücke (bis zum circa 6,5-Fachen der Anfangsfließspannung des Werkstückwerkstoffs) und Oberflächenvergrößerungen (bis zum Vierfachen der Anfangsoberfläche des Werkstücks) gekennzeichnet. Dadurch erfolgt ein Aufbrechen der passivierenden Aluminiumoxidschicht im Umformprozess. Für ungeschmierte Prozesse führt dies zu einem direkten Kontakt von reaktivem Aluminium mit der Werkzeugoberfläche bei gleichzeitig hohen Flächenpressungen. Der adhäsive Verschleiß wird dadurch stark begünstigt.

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