Modellgestützte Endbearbeitung hartstoffbeschichteter Tiefziehwerkzeuge

Rausch, S.

Thermische Spritzverfahren bieten eine effiziente Möglichkeit zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit kostenintensiver Umformwerkzeuge zur Herstellung von Bauteilen aus hochfesten Stahlwerkstoffen. Aufgrund der hohen Ausgangsrauheit nach dem Beschichtungsprozess sowie der auftretenden Form- und Maßfehler infolge inhomogener Schichtdicken ist jedoch eine Nachbearbeitung der tribologisch beanspruchten Funktionsflächen notwendig.

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Topographien freigeformter Oberflächen von hartstoffbeschichteten Umformwerkzeugen mit Hilfe mechanischer Nachbearbeitungsverfahren derart zu konditionieren, dass ein erfolgreicher Einsatz im Umformprozess ermöglicht und somit die Standzeit der Umformwerkzeuge verlängert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Verfahren NC-Formschleifen mit Schleifstiften und Festklopfen bzw. Machine Hammer Peening (MHP) zur Nachbearbeitung der Hartstoffschichten gegenübergestellt. Hinsichtlich der Endbearbeitung von freigeformten Oberflächen, wie sie größtenteils bei Umformwerkzeugen vorliegen, können beide Verfahren auf Bearbeitungszentren flexibel eingesetzt werden.

Die Herausforderungen an die Prozessauslegung des NC-Formschleifens stellen dabei zum einen die hohe Härte der Beschichtungen und zum anderen die durch die geringe Anzahl von effektiven Schneiden einhergehende eingeschränkte Zerspanleistung der eingesetzten Schleifstifte dar. Für die Prozessoptimierung wird eine Analyse der komplexen Eingriffsbedingungen zwischen den Schleifwerkzeugen und der freigeformten Oberfläche benötigt, welche unter Verwendung einer geometrisch-physikalischen Prozesssimulation durchgeführt wird. Neben der Optimierung der Prozessparameterwerte stellt die Anpassung der makroskopischen und mikroskopischen Werkzeuggestalt an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe ein geeignetes Mittel zur effizienten Bearbeitung freigeformter Oberflächen dar.

Bei der MHP-Bearbeitung von Verschleißschutzschichten, welche im Rahmen dieser Arbeit erstmals durchgeführt wurde, wird die erzielte Werkstückqualität insbesondere durch die Schichtdicke, die Porosität und die Schichthaftung beeinflusst. Darüber hinaus ist bei der Prozessgestaltung die begrenzte Verformbarkeit der thermisch gespritzten Hartstoffschichten infolge mechanischer Belastungen ein limitierender Faktor, so dass bei einer zu hohen lokalen Flächenpressung Mikrorisse initiiert werden können. Um eine schädigungsfreie Bearbeitung durchführen zu können, wird eine Prozessoptimierung unter Berücksichtigung der Hauptprozesseinflussgrößen Schlagenergie und Schlagabstand durchgeführt.

Abschließend erfolgt die Umsetzung beider Bearbeitungskonzepte zur Endbearbeitung von beschichteten Testwerkstücken und Tiefziehwerkzeugen mit freigeformten Oberflächen. Dabei wird gezeigt, dass beide Prozesse zur erfolgreichen Nachbearbeitung der Hartstoffschichten geeignet sind.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN 978-3-8027-8785-0, URI: http://hdl.handle.net/2003/35116