Werkzeugverschleiß Werkzeugstandzeiten durch Formschleifen verbessern

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) untersucht das Formschleifen mit torischen Schleifstiften, um die Randzone von Formwerkzeugen lokal und belastungsorientiert einzustellen und so höchstmögliche Standzeiten zu realisieren.

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Mehrstufige Hochleistungsumformprozesse sind neuerdings in der Lage, komplexe Bauteile mit vielen Formelementen schnell und günstig herzustellen. Durch gezielt im Umformprozess eingestellte Kaltverfestigung haben diese Bauteile außerdem vorteilhafte mechanische Eigenschaften. Bei solchen Umformprozessen, wie zum Beispiel der Blechmassivumformung, kommt es jedoch zu komplizierten zwei- und dreiachsigen Spannungszuständen und hohen Kontaktspannungen [1]. Es sind daher besondere Vorkehrungen für Formwerkzeuge aus Stahl notwendig, um den Einsatz deutlich teurerer Formwerkzeuge aus Hartmetall zu vermeiden. Die Randzone eines Formwerkzeugs hat eine entscheidende Bedeutung für den Verschleiß und das Ermüdungsverhalten. Gezielt an die Prozessbelastungen angepasste Druckeigenspannungen verzögern die Rissinitiierung und -ausbreitung und haben somit einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer des Umformwerkzeugs [2].

Randzonen optimal auf die Belastungen vorbereiten

Das Formschleifen mit torischen Werkzeugen eignet sich besonders gut, um gezielt Eigenspannungen in die Randzone von Werkzeugen mit Freiformflächen einzubringen. Durch die besondere Geometrie der Werkzeuge und die gezielte Wahl der Schleifkorngröße des Werkzeugs sowie der Prozessstrategie und -stellgrößen, ist es möglich lokal, die durch die Umformtechnik geforderten Eigenspannungen einzubringen (siehe Bild 2) [3]. Die Randzone kann somit bereits bei der Fertigung optimal auf die Belastungen im Umformprozess vorbereitet werden.

Für eine industrielle Nutzung dieses Verfahrens ist es zusätzlich notwendig, den Einfluss des Abrichtens und des Verschleißverhaltens der Werkzeuge auf die eingebrachten Eigenspannungen zu kennen. Nur so kann eine gleichbleibende Qualität des Randzonenzustands durch eine an das Verschleißverhalten angepasste Abrichtstrategie gewährleistet werden.

Bildergalerie

Damit die eingesetzten Schleifwerkzeuge im Einsatz optimale Ergebnisse erzielen können, müssen sie vor der Durchführung des Schleifprozesses konditioniert werden. Der Konditionierungsprozess beeinflusst jedoch neben der Form- und Rundlaufgenauigkeit des Werkzeugs auch den Werkzeugverschleiß und die eingebrachten Eigenspannungen.

Es wurden daher Proben eines pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstahls (1.3344 PM) mit zwei unterschiedlich konditionierten Schleifwerkzeugen mit keramischer Bindung geschliffen und anschließend die eingebrachten Eigenspannungen ermittelt. Das Konditionieren erfolgte mithilfe einer Diamantformrolle.

Der Unterschied der angewandten Konditionierungen ist im gewählten Geschwindigkeitsverhältnis q_d zwischen dem Schleifwerkzeug und der Profilformrolle zu finden. Während das Werkzeug im ersten Fall crushiert wird (q_d = 1), liegt im zweiten Fall ein Geschwindigkeitsverhältnis von 0,8 vor. Wie in den Bildern 3 und 4 zu erkennen ist, beeinflusst die gewählte Konditionierungsstrategie die auftretenden Prozesskräfte und die eingebrachten Eigenspannungen. Gezeigt werden hier die mit den verschiedenen Schleifstrategien in Schleifrichtung (σ_||) und quer zur Schleifrichtung eingebrachten Eigenspannungen (σ⊥).

In allen Fällen ist eine Einschleifphase zu erkennen, in der es zu einer verstärkten Schwankung der Prozesskräfte sowie zu einer Erhöhung der eingebrachten Druckeigenspannungen kommt. Nachdem diese Phase durchlaufen ist, sind die auftretenden Prozesskräfte gleichmäßiger ausgeprägt und die eingebrachten Druckeigenspannungen nähern sich im Falle der frontalen Schleifstrategie einem konstanten Niveau an.

Bei der seitlichen Schleifstrategie ist diese Annäherung nicht zu beobachten. Die eingebrachten Druckeigenspannungen steigen bei der Verwendung dieser Strategie mit zunehmenden zerspanten Materialvolumen stetig an und erreichen ein zur frontalen Strategie vergleichbares Niveau.

Crushiertes Werkzeug weist längere Einschleifphase auf

Zu erkennen ist, dass das cru- shierte Werkzeug bei der Anwendung der frontalen Schleifstrategie eine im Vergleich längere Einschleifphase aufweist und im Schnitt um 8,7 % geringere Druck- eigenspannungen in Schleifrichtung und um 13 % geringere Druckeigenspannungen quer zur Schleifrichtung in den Werkstoff einbringt.

Ursächlich hierfür ist das in Abhängigkeit von der gewählten Konditionierungsstrategie deutlich unterschiedliche Verschleißverhalten der Schleifwerkzeuge beim Einsatz der frontalen Schleifstrategie. Daher empfiehlt es sich, zum Einbringen höherer Druckeigenspannungen mit der frontalen Schleifstrategie das Schleifwerkzeug nicht zu crushieren. Bei der seitlichen Schleifstrategie lässt sich bezüglich der Ausprägung der Einschleifphase und der eingebrachten Druckeigenspannungen kein Einfluss der Konditionierungsstrategie feststellen.

Generell sollte daher bei der Prozessplanung unabhängig von der gewählten Konditionierungsstrategie eine Einschleifphase in einem Volumenbereich des Werkstückes vorgesehen werden, der durch die Bearbeitung abgetragen wird oder später im Umformprozess keine kritischen Belastungen aufweist. So kann sichergestellt werden, dass in der resultierenden Werkstückrandzone optimale Druckeigenspannungen vorliegen.

Das unterschiedliche Verschleißverhalten der mit verschiedenen Strategien konditionierten Werkzeuge lässt sich anhand der Werkzeugoberflächen veranschaulichen.

In Bild 5 werden neben den Oberflächen der Schleifwerkzeuge nach ihrem Einsatz im Schleifprozess die auftretenden Prozesskräfte und das G-Verhältnis der Werkzeuge (Verhältnis aus zerspantem Werkstoffvolumen und verschlissenem Volumen des Werkzeugs) abgebildet. Während bei der seitlichen Strategie bei beiden Werkzeugen eine Zusetzung der Oberfläche zu erkennen ist, ist dies bei der frontalen Strategie mit crushiertem Werkzeug nicht der Fall. Bei diesem ist eine poröse Oberfläche ohne wesentliche Zusetzungen zu erkennen, die mit dem Ausgangszustand der Werkzeugoberfläche vor dem Einsatz vergleichbar ist. Zurückzuführen ist dies auf eine durch das Crushieren begünstigte Selbstschärfung des Werkzeugs, durch die vorhandene Zusetzungen entfernt werden. Dies führt jedoch zugleich zu einem verstärkten Werkzeugverschleiß, der sich in einem geringeren G-Verhältnis und geringeren Prozesskräften beim Einsatz dieses Werkzeugs bemerkbar macht. Bei der seitlichen Schleifstrategie ist dies nicht der Fall. Hier zeigt sich ein im Vergleich verringerter Verschleiß des crushierten Werkzeugs, wodurch es ein höheres G-Verhältnis als das Vergleichswerkzeug aufweist.

Eigenspannungen korrelieren mit Verschleißverhalten

Bei einem vergleichbaren Verschleißverhalten der Schleifwerkzeuge ist festzustellen, dass auch vergleichbare Druckeigenspannungen in die Randzone eingebracht werden. Unterscheidet sich das Verschleißverhalten der unterschiedlich konditionierten Werkzeuge hingegen, so schlägt sich dies auch in der Ausprägung der eingebrachten Druckeigenspannungen nieder, wie das Beispiel der frontalen Schleifstrategie zeigt.

Weiterhin deutet die tendenziell stärker ausgeprägte Zusetzung der Schleifwerkzeuge bei der seitlichen Schleifstrategie in Verbindung mit dem kontinuierlichen Anstieg der eingebrachten Druckeigenspannungen auf eine Korrelation der Eigenspannungen und des Verschleißverhaltens hin. Zu bemerken ist hierbei insbesondere, dass in diesem Fall mit zunehmendem Verschleiß der Schleifwerkzeuge mit der seitlichen Schleifstrategie Druckeigenspannungen in die Randzone eingebracht werden, die mit denen der frontalen Strategie vergleichbar sind, obwohl tendenziell geringere Druckeigenspannungen zu erwarten wären.

Verschleißverhalten als Einflussgröße

Insgesamt stellt das Verschleißverhalten der Werkzeuge daher eine relevante Einflussgröße für das Einbringen von Eigenspannungen in die Werkstückrandzone dar. Das Verschleißverhalten wird dabei nicht nur von der angewendeten Schleifstrategie beeinflusst, sondern korreliert auch mit der gewählten Konditionierungsstrategie.

Durch die Kenntnisse des Einschleif- und Verschleißverhaltens der torischen Werkzeuge ist es möglich, industrielle Fertigungsprozesse so zu planen, dass Eigenspannungszustände mit hoher Wiederholgenauigkeit erzeugt werden können. Schleifprozesse können in Zukunft so ausgelegt werden, dass die besonders kritischen Bereiche des Formwerkzeugs mit einem optimalen Zustand des Schleifwerkzeugs bearbeitet werden, während Einschleifphasen in weniger kritische Bereiche verlegt werden können.

Literatur

[1] Merklein, M.; Koch, J.; Opel, S. und Schneider, T.: Fundamental investigations on the material flow at combined sheet and bulk metal forming processes. CIRP Annals-Manuf. Technol. 60, S. 283–286, 2011

[2] Lange, K.; Kammerer, M.; Pöhlandt, K.; und Schöck, J.: Fließpressen, 1. Edition, Springer, Berlin, 2008

[3] Grove, T.; Lucas, H. und Denkena, B.: Residual stresses in grinding of forming tools with toric grinding pins. In: Procedia CIRP 71, S. 354-357, 2018

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Dr.-Ing. Thilo Grove ist Bereichsleiter Fertigungsverfahren am IFW, Philipp Wolters M. Sc. und Dipl.-Ing. Henning Lucas sind wissenschaftliche Mitarbeiter am IFW in 30823 Garbsen, Tel. (05 11) 76 21 80 02, Lucas_H@ifw.uni-hannover.de

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