Schmierstofffreies Umformen

Trockene Tribosysteme prozessnah beschreiben

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Im neu entwickelten Druck-Torsions-Tribometer werden die in Bild 3 (in Schnittansichten) gezeigten zweigeteilten Probenkörper, gefertigt aus dem Werkstück- beziehungsweise dem Werkzeugwerkstoff des nachzubildenden Fließpressprozesses, zur Charakterisierung des Verschleißes eingesetzt. Der Werkstückprobenkörper aus Reinaluminium wird über einen elektrischen Motor in Rotation versetzt. Umdrehungsgeschwindigkeiten von 20 bis 80 s–1 (entspricht bei aktueller Probengeometrie einer Gleitgeschwindigkeit von maximal 45 mm/s) sind realisierbar. Der mit der zu charakterisierenden Oberfläche versehene Gegenkörper (zum Beispiel aus dem Kaltarbeitsstahl DIN 1.2379) wird mithilfe eines pneumatischen Zylinders mit bis zu 18 kN auf den Werkstückprobenkörper aufgepresst (entspricht bei aktueller Probengeometrie circa 200 MPa Kontaktdruck). Die angelegte Normalkraft kann dabei stufenlos eingestellt werden und wird im Versuch aufgezeichnet.

Unterschiedliche Niveaus der Drehmomente je nach getesteter Werkzeugoberfläche

Durch die Verhinderung der rotatorischen Bewegung des Werkzeugprobenkörpers entsteht schließlich eine Relativbewegung zwischen den beiden verwendeten Proben. Die Anzahl an Rotationen wird über ein Encoderrad an der Antriebsseite erfasst. Zur Charakterisierung der Reibungsbedingungen im Kontaktbereich wird das von der rotierenden Seite übertragene Drehmoment im Versuch aufgezeichnet. Bereits erfolgte Charakterisierungen [2] auf dem Druck-Torsions-Tribometer zeigen unterschiedliche Niveaus der Drehmomente in Abhängigkeit der getesteten Werkzeugoberfläche.

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Die wesentliche Eigenschaft des Druck-Torsions-Tribometers, die Werkstückprobe mit Kontaktnormalspannungen vielfach oberhalb der Anfangsfließspannung des Werkstückwerkstoffs belasten zu können, beruht auf der speziellen Geometrie der Probenkörper. Der Werkstückprobenkörper wird mit einem Kapselungsring aus Messing im Bereich der Kontaktfläche lateral umschlossen.

Durch diese Restriktion der Kontaktfläche wird ein unbegrenztes Fließen des Werkstückwerkstoffs aus der Kontaktfuge verhindert und Kontaktnormalspannungen oberhalb der Fließspannung können realisiert werden.

Direkter Kontakt von reaktivem Aluminium und Stahloberfläche im Versuch erreicht

Um die tribologischen Bedingungen des VVFP noch weiter anzunähern, ist zwischen Kapselungsring und Werkstückwerkstoff zusätzlich ein ringförmiger Freiraum eingearbeitet. Dadurch wird zu Beginn des Versuchs bei steigender Normallast eine Deformation des Aluminiums ermöglicht, bis schließlich der gesamte Kontaktbereich ausgefüllt ist. Durch die anfängliche Deformation des Werkstückwerkstoffs bricht die passivierende Aluminiumoxidschicht auf und ein direkter Kontakt von reaktivem Aluminium und der zu charakterisierenden Oberfläche des Werkzeugstahls findet wie im ungeschmierten Fließpressprozess statt.

Durch die ebene Kontaktfläche der Probenkörper können effektiv verschiedene neuartige Oberflächenbearbeitungen aufgebracht und getestet werden. Zusätzlich ist eine anschließende Mikroskopie der Oberflächen zur genaueren Untersuchung des Verschleißbildes möglich. In Bild 4 sind die Proben vor und nach dem Tribometertest zu sehen. Die zuvor polierte Werkzeugoberfläche zeigt deutliche Anhaftungen von Aluminium in konzentrischen Kreisen. Der Aluminiumprobenkörper ist wie vorgesehen von der Stahlprobe umgeformt und der Freiraum zum Kapselungsring geschlossen worden. In der Kontaktzone sind ebenfalls konzentrische Verschleißspuren zu erkennen.

Versuchsaufwand für Erprobung von Randschichtkonzepten gesenkt

Im Gegensatz zur aufwendigen Bearbeitung von Fließpressmatrizen kann auf diese Weise eine große Anzahl an Randschichtkonzepten hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Eignung für das trockene Fließpressen mit deutlich reduziertem Versuchsaufwand überprüft werden.

Nach der Vorauswahl durch den Tribometerversuch werden geeignete Oberflächenmodifikationen im nächsten Schritt auf realen Bauteilgeometrien (Matrizen) hinsichtlich ihrer Verschleißeigenschaften untersucht. Dazu werden der in Bild 5 dargestellte Werkzeugaufsatz und eine am IBF zur Verfügung stehende hydraulische Presse genutzt. Durch den Einsatz horizontal geschlitzter Matrizen kann die Bearbeitbarkeit der Oberflächen gewährleistet und schließlich die Eignung der neuen tribologischen Randschichten im Realprozess untersucht werden.

Literatur

[1] M. Teller, M. Bambach, G. Hirt: „A compression-torsion-wear-test achieving contact pressures of up to eight times the initial flow stress of soft aluminium”, CIRP Annals – Manufacturing Technology 64, Vol. 1, S. 289-292, 2015.

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[2] M. Teller, M. Bambach, G. Hirt, I. Ross, A. Temmler, R. Poprawe, H. Bolvardi, S. Prünte und J. M. Schneider: „Investigation of the suitability of surface treatments for dry cold extrusion by process-oriented tribological testing”, Key Engineering Materials, Vol. 651-653, S. 473-479, 2015.

* Marco Teller ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen in 52056 Aachen; Prof. Gerhard Hirt ist Leiter des Instituts.

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