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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Kolloquium zur Umformtechnik

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.

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.

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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.

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.

[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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