NC-Formschleifen von hartstoffbeschichten Tiefziehwerkzeugen

NC-Formschleifen von hartstoffbeschichten Tiefziehwerkzeugen

Aufgrund der gesetzlichen Bestimmung zur CO2-Reduktion in der Automobilindustrie werden vermehrt neuartige hoch- und höchstfeste Blechwerkstoffe im Karosseriebau eingesetzt, um eine Verringerung des PKW-Gewichts zu erzielen. Die Formgebung dieser Werkstoffe führt jedoch zu einer reduzierten Standzeit der kostenintensiven Umformwerkzeuge. Zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit dieser Werkzeuge können thermisch gespritzte Hartstoffschichten aufgebracht werden. Aufgrund der spritzrauen Oberflächen sind diese jedoch schleifend nachzuarbeiten, um die geforderte Form- und Maßhaltigkeit sowie die Oberflächenqualität zu gewährleisten.

Bei der Erzeugung von tiefgezogenen Werkstücken aus hochfesten Blechwerkstoffen führt die hohe Flächenpressung im Bereich der Ziehkanten an den Umformwerkzeugen zu einem starken abrasiven Verschleiß [1]. Um die Verschleißbeständigkeit dieser tribologisch hoch beanspruchten Funktionsflächen zu steigern, stellt der Einsatz von thermisch gespritzten Hartstoffschichten eine effiziente Lösung dar [2, 3]. Hierbei ist es möglich kostengünstige Werkstoffe, wie z. B. C45 als Grundwerkstoff, für den Werkzeug- und Formenbau einzusetzen. Diese zeichnen sich durch eine gute Zerspanbarkeit aus und sind deutlich kostengünstiger als vergütete Kaltarbeitsstähle. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 708 wurden diesbezüglich die Verfahren Lichtbogenspritzen (AS) sowie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) zur Steigerung des Verschleißschutzes von Umformwerkzeugen untersucht [4]. Mit Hilfe des Lichtbogenspritzens wurde ein mit Wolframschmelzkarbid gefüllter Eisendraht (WSC-Fe) aufgeschmolzen und in zwei Überläufen unter Verwendung eines Trägergases auf das Substrat aufgebracht. Die WSC-Fe-Beschichtung weist eine Schichtdicke von etwa 600 µm und eine gemittelte Vickershärte von etwa 600 HV0,1 auf. Die für das Lichtbogenspritzen typische, vergleichsweise hohe Porosität der Schicht und dessen laminarer Aufbau sind in dem in Abb.1a gezeigten Querschliff deutlich erkennbar. Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Spritzpartikel im HVOF-Prozess von bis zu 1000 m/s, die durch die Expansion eines entzündeten Kerosin-Sauerstoff-Gemischs erfolgt, wird eine nahezu porenfreie Schicht erzeugt, die eine Mikrohärte von 1350 HV0,1 aufweist. Der Beschichtungswerkstoff liegt hierbei in pulverförmigen Agglomeraten vor, welche einen Durchmesser von wenigen µm aufweisen. Der HVOF-Prozess kann in mehreren Überläufen durchgeführt werden, wobei jeweils ein Schichtauftrag von etwa 20 µm erfolgt. In Abb.1b ist eine Mikroskopaufnahme eines metallurgischen Querschliffs der Wolframkarbid-Kobalt-(WC-Co)-Beschichtung dargestellt.

Für den industriellen Einsatz dieser hochharten Schichtsysteme ist jedoch eine mechanische Nachbearbeitung notwendig, um Form- und Oberflächenfehler zu reduzieren, die durch den Beschichtungsprozess entstehen [5]. Bei der Endbearbeitung freigeformter Oberflächen, wie sie zum Beispiel bei Umformwerkzeugen vorliegen, stellt das Schleifen auf Bearbeitungszentren unter Verwendung von Schleifstiften eine flexible und kostengünstige Lösung dar. Es bietet die Möglichkeit, dieselben Maschinen für die Nachbearbeitung einzusetzen, die für die Herstellung der Grundformen verwendet wurden. Die Herausforderungen an die Prozess-auslegung des Schleifprozesses stellen jedoch zum einen die hohe Härte der Schichtsysteme und zum anderen die geringen Durchmesser der eingesetzten Werkzeuge dar. Aufgrund der dadurch resultierenden Limitierung der maximalen Schnittgeschwindigkeit muss eine gezielte Auslegung der Prozessparameterwerte und Schleifwerkzeuge erfolgen.

Für die Bearbeitung frei geformter Oberflächen ist die makroskopische Gestalt der Werkzeuge an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe durch gezieltes Abrichten anzupassen, sodass zum Beispiel mit Hilfe von sphärischen oder torusförmigen Werkzeugen das Schleifen solcher Oberflächen ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch eine optimierte Anpassung der Abrichtparameterwerte eine raue Werkzeugtopographie für die Schruppbearbeitung oder eine feine Topographie für die Schlichtbearbeitung erzeugt werden. Hierzu wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten eine CNC-gesteuerte, fünfachsige Abrichtmaschine Geiger AP-800 Fusion eingesetzt (Abb.2b).
Zur Erlangung eines grundlegenden Prozessverständnisses beim Schleifen hochharter Beschichtungen wurden zunächst Flachschleifversuche unter Verwendung von zylindrischen CBN- und Diamant-Werkzeugen in Kunstharz- und Keramikbindung durchgeführt. Die Konventionen der Prozessparameter Vorschub vf, Zeilenabstand ap, Zustellung ae und Schnittgeschwindigkeit vc sind in Abb.3 dargestellt.

Die bei den Schleifversuchen erzielte Oberflächenrauheit und die auftretenden Prozesskräfte stellten die Zielgrößen der Untersuchungen dar. Unter gleichen Einsatzbedingungen treten beim Einsatz keramisch gebundener Schleifwerkzeuge deutlich geringere Prozesskräfte als bei der Kunstharzbindung auf (Abb.4). Begründet werden kann dies durch die offenporige Gestalt der Keramikbindung, die einen vergleichsweise großen Raum für die entstehenden Schleifspäne bietet. Der geringe Spanraum der Kunstharzbindung führt zu einem deutlichen Anstieg der Prozessnormalkräfte. Im Vergleich zu konventionellen Schleifprozessen liegen die Kräfte jedoch auf einem sehr geringen Niveau. Dies führt auch dazu, dass die thermische Belastung von Werkstück und Werkzeug in der Kontaktzone vernachlässigbar gering ist [6]. In Bezug auf das Zeitspanvolumen weist die Zustellung einen deutlich größeren Einfluss auf die resultierenden Kräfte als die Vorschubgeschwindigkeit auf. Als Ursache kann hierfür die Größe der resultierenden Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug identifiziert werden. Bei einer Erhöhung der Zustellung kommen deutlich mehr Schleifkörner zeitgleich in den Eingriff, die jeweils einen Anteil zur Gesamtprozesskraft beitragen. Dabei führt die Erhöhung des Vorschubs lediglich zu einer Erhöhung der Spanungsdicke, welche in einem leichten Anstieg der Einzelkornkräfte resultiert.

Hinsichtlich der erzeugten Oberflächenqualität konnte identifiziert werden, dass die Prozessparameter Vorschub und Zustellung nur einen untergeordneten Einfluss auf das Prozessergebnis aufweisen. Die Rauheit wird hauptsächlich durch die Korngröße und das Bindungsmaterial sowie durch die Abrichtparameter beeinflusst. Aufgrund der hohen Härte der WC-Co-Beschichtung empfiehlt sich der Einsatz einer mehrstufigen Bearbeitung zur Erzeugung guter Oberflächenqualitäten. Die in Abb.5 dargestellten Topographien, resultieren aus einer vierstufigen Bearbeitung, bei der die Korngröße von D126 über D46 nach D15 in einer keramischen Bindung reduziert wurde [7]. Abschließend erfolgte die Endbearbeitung mit einem elastisch gebundenen D10-Schleifwerkzeug. Dies ermöglicht eine Reduktion der gemittelten Rautiefe Rz von 6,81 µm auf 0,66 µm. In einem anschließenden Ball-on-Disk-Prüfverfahren, bei dem ein kugelförmiger Prüfkörper zyklisch über die Oberfläche geführt wird, wurde der Einfluss der Topographie auf das Verschleißverhalten der Beschichtung untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass mit der Reduktion der Profilspitzen auch eine verringerte Verschleißspurtiefe einhergeht. Dieser Trend korreliert mit dem Einlaufverhalten der ermittelten Reibwerte. Je glatter die initiale Oberfläche ist, desto schneller wird ein konstanter Verlauf der Reibwerte erzielt.

Zur Ermittlung der Verschleißbeständigkeit der WC-Co-Beschichtung im Umformprozess wurden unter Laborbedingungen Napfwerkstücke aus HC380LA tiefgezogen und die Qualität der erzeugten Werkstücke und des Umformwerkzeugs untersucht. In der Versuchsreihe wurden eine Referenzmatrize aus gehärtetem Kaltarbeitsstahl X155CrVMo12-1 und zwei beschichtete Werkzeuge aus C45 eingesetzt. Die Nachbearbeitung der beschichteten Matrizen wurde zum einen durch den beschriebenen Schleifprozess und zum anderen durch einen inkrementellen Glattwalzprozess realisiert [2]. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Referenzwerkzeug bereits nach ca. 3.000 gezogenen Werkstücken einen so starken Verschleiß aufzeigte, dass ein weiterer Einsatz nicht möglich war. Mit den beschichteten Werkzeugen konnten jeweils 10.000 Teile gefertigt werden, ohne dass eine Verschlechterung der Bauteilqualität ermittelt werden konnte. Aufgrund der deutlich besseren Oberflächenrauheit der geschliffenen Matrize – im Vergleich zur gewalzten – wurden mit dem geschliffenen Werkzeug die besten Werkstückqualitäten erzielt [2].

Zur Übertragung der gewonnen Erkenntnisse auf die Nachbearbeitung von beschichteten, freigeformten Oberflächen wurden zwei vereinfachte Tiefziehwerkzeuge entwickelt. Das erste Werkzeug besteht aus unterschiedlich aneinandergereihten Radien und wurde für eine verbesserte Handhabung in vier Segmente unterteilt wie in Abb.6a zu sehen ist. Für eine optimierte Schleifbearbeitung wurden drei unterschiedliche Schleifstiftgestalten abgerichtet. Die senkrechten Flanken in der Mitte der Matrize wurden mit einem zylindrischen Werkzeug unter dreiachsiger Bahnführung erzeugt (Abb.6c). Für die Bearbeitung des Ziehradius hat sich der Einsatz eines sphärischen Werkzeugs als zielführend erwiesen, da hierbei durch eine feine Abstufung des Bahnabstands von 0,1 mm eine hinreichend gute Oberfläche erzeugt werden konnte (Abb.6d). Für die großflächige Endbearbeitung der Bereiche des Blecheinzugs konnte die Prozesszeit durch die Verwendung von konischen Schleifwerkzeugen deutlich optimiert werden, da diese eine größere Eingriffsbreite von zwei mm ermöglichen, als unter Verwendung des sphärischen Schleifstifts (Abb.6e). Ein tiefgezogenes Werkstück ist in Abb.6b dargestellt.

In der zweiten Iterationsstufe wurde der Stempel eines Umformwerkzeugs in Anlehnung an ein Tiefziehwerkzeug zur Herstellung einer B-Säule entwickelt. Sämtliche Oberflächen sind hierbei mindestens einfach gekrümmt und weisen Radien in den Übergängen von bis zu 5 mm auf. Aufgrund dessen wurden zur ganzflächigen Bearbeitung für fast alle Flächen sphärische Schleifstifte eingesetzt, wobei der Durchmesser dieser Werkzeuge an die minimalen Innenradien angepasst wurde (Abb.7a und b). Zum Schleifen der einfach gekrümmten Außenflächen konnten die konischen Werkzeuge erfolgreich angewendet werden (Abb.7c).

Trotz der vergleichsweise niedrigen Schnittgeschwindigkeiten bietet das Schleifen auf Bearbeitungszentren eine kostengünstige Möglichkeit zur Feinbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau. Durch eine gezielte Anpassung der Makro- und Mikrogestalt der Schleifstifte wird eine optimierte Nachbearbeitung freigeformter Oberflächen ermöglicht. In Kombination mit den thermischen Beschichtungsverfahren Lichtbogen- und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird die Möglichkeit geschaffen, lokal oder ganzflächig den Verschleißschutz auf Umformwerkzeugen deutlich zu erhöhen.

Danksagung

Die durchgeführten Arbeiten sind Bestandteil des Teilprojekts A5 des Sonderforschungsbereichs „3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung (SFB 708)“, das von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) gefördert wird.

Quellen

[1]
Groche, P.; Christiany, M. (2012): Umformen höchstfester Blechwerkstoffe. In: wt Werkstattstechnik online 102 (10), S. 640–644.
[2]
Tillmann, W.; Hollingsworth, P.; Baumann, I.; Hiegemann, L.; Weddeling, C.; Tekkaya, A. E.; Rausch, S.; Biermann, D. (2014): Thermally sprayed finestructured WC-12Co coatings finished by ball burnishing and grinding as an innovative approach to protect forming tools against wear. In: Surface and Coatings Technology. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.06.039.
[3]
Bach, Fr.-W.; Möhwald, K.; Drößler, B.; Engl, L. (2005): Technik und Potenziale des Verschleiß- schutzes mittels thermisch gespritzter Beschichtungen. In: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 36 (8), S. 353–359. DOI: 10.1002/mawe.200500892.
[4]
DIN EN 657, 2005: DIN EN 657: Thermisches Spritzen - Begriffe, Einteilung.
[5]
Bruzzone, A. A. G.; Costa, H. L.; Lonardo, P. M.; Lucca, D. A. (2008): Advances in engineered surfaces for functional performance. In: Manufacturing Technology - Annals of the International Institute for Production Engineering Research 57 (2), S. 750–769.
[6]
Rausch, S.; Biermann, D.; Kersting, P. (2014): Five-axis grinding of wear-resistant, thermally sprayed coatings on free-formed surfaces. In: Prod. Eng. Res. Devel. 8 (4), S. 423–429. DOI: 10.1007/s11740-014-0537-z.
[7]
Rausch, S.; Siebrecht, T.; Kersting, P.; Biermann, D. (2014): Analysis and Simulation of Surface Topographies in Grinding of Thermally Sprayed Coatings. In: AMR 1018, S. 91–98. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.91.

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann

Institut für Spanende Fertigung (ISF), Technische Universität Dortmund
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Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann, Jahrgang 1963, studierte Maschinenbau an der Universität Dortmund und promovierte auf dem Gebiet der spanenden Fertigung. Während seiner achtjährigen Industrietätigkeit war er als Bereichsleiter Fertigung bei der Dr. SCHRICK GmbH in Remscheid für die Produktion von Verbrennungsmotoren verantwortlich. Seit April 2007 leitet er das Institut für Spanende Fertigung (ISF) und ist seit Januar 2014 Prorektor Forschung der Technischen Universität Dortmund. Prof. Biermann ist Associate Member der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) und Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP).

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Petra Kersting

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Jun.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Petra Kersting, Jahrgang 1980, studierte Ingenieurinformatik an der Universität Dortmund und promovierte auf dem Gebiet der spanenden Fertigung. Seit 2012 ist sie Juniorprofessorin für das Fachgebiet Modellierungsmethoden für Spanende Fertigungsverfahren am Institut für Spanende Fertigung (ISF) und leitet seit 2013 die Abteilung Simulation und Optimierung. Sie wurde 2014 mit der Otto-Kienzle-Gedenkmünze der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) ausgezeichnet und ist seit 2015 Chair der Research Affiliates der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP). Für das Studienjahr 2014/2015 ist sie Dorothea-Erxleben-Gastprofessorin am Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung (IFQ) der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Dipl.-Ing. Sascha Rausch

Institut für Spanende Fertigung (ISF), Technische Universität Dortmund
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Dipl.-Ing. Sascha Rausch, Jahrgang 1981, studierte Maschinenbau an der TU Dortmund. Seit April 2010 arbeitet er am Institut für Spanende Fertigung (ISF) in der Abteilung Simulation und Optimierung. Sein Tätigkeitsbereich beinhaltet u.a. das Schleifen und Festklopfen von Verschleißschutzschichten auf Bearbeitungszentren sowie die Modellierung und Simulation von Schleifprozessen.

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