Mikrostrukturierte Schneidstempel
Tribologische Optimierung von Schneidstempeln durch Mikrostrukturierung mittels maschinellem Oberflächenhämmern

Motivation

Durch eine tribologische Optimierung von Werkzeugoberflächen mit Hilfe von maschinell erzeugten Mikrostrukturen lassen sich Stillstandszeiten bei gleichbleibend hoher Produktqualität minimieren. Speziell bei hohen Kontaktnormalspannungen durch hydrostatische und hydrodynamische Effekte können Reibwertreduzierungen von bis zu 30% erzielt werden. Zudem werden unvermeidlich auftretende Verschleißpartikel, die langfristig erheblich zum Werkzeugversagen beitragen, von den Mikrostrukturen aufgenommen. Dadurch wird das Einsetzen von Verschleißerscheinungen nachhaltig verzögert. Die Strukturierung durch maschinelles Oberflächenhämmern umfasst neben der Strukturierung simultan die Effekte der Einglättung, der Erzeugung oberflächennaher Druckeigenspannungen und der Härtesteigerung. Somit kann durch lediglich einen Bearbeitungsschritt der gesamte Produktlebenszyklus effizienter und effektiver gestaltet werden. Eine Manipulation mittels Mikrostrukturierung der Werkzeugfläche ist aufgrund der hohen Werkzeughärten bisher allerdings prozesstechnisch nicht realisierbar und die lokale tribologische Beanspruchung nur unzureichend erforscht.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist vordergründig die Standzeiterhöhung von Schneidstempeln durch Strukturierung der Mantelfläche mittels maschinellem Oberflächenhämmern. Dabei soll die Machbarkeit der vollständigen Prozesskette untersucht werden. Das umfasst die Fertigung des Hammerkopfs mit optimierter Mikrospitze durch ein geeignetes Verfahren, die Applikation der Strukturierung auf das Werkzeug unter geeigneten Handlungsrichtlinien, den Einsatz von Schneidstempeln unter industrieller Last sowie die Verschleißüberwachung mittels geeigneter Sensorik.

prozesskette
[1] Prozesskette zur Herstellung und Einsatz der Mikrostruktur unter Zuhilfenahme eines Prozessmonitorings

Lösungsweg

Zu Projektbeginn gilt es zunächst die aktuell in der Industrie der Stanztechnik geltenden Anforderung an die Produktqualität zu identifizieren, sowie die Kontaktbedingungen zwischen Blechschnittkante und Schneidstempel bei den Phasen des Durchdrückens und Rückzugs zu definieren. Der Strukturierungsprozess und die auftretenden Werkzeugbelastungen werden zunächst durch Simulationen definiert. Dies bildet die Grundlage für eine geeignete Werkstoff- und Fertigungsprozessauswahl des Strukturierungswerkzeugs. Mit dem entwickelten Strukturierungswerkzeug werden schließlich Werkzeugoberflächen manipuliert. Nach Ableitung geeigneter Handlungsrichtlinien zur Strukturierung verschiedener Werkzeuggeometrien werden Schneidstempel im TryOut unter inline Prozessüberwachung erprobt. Auf Basis der Sensorsignale sollen sowohl der Verschleißfortschritt als auch die Wirksamkeit der Strukturierung beurteilt werden.

[2] Entwicklung charakteristischer Kraftsignale nach 10.000 und 20.000 Hub (links) bei Verwendung unterschiedlich strukturierter Stempel (rechts)

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21560 N der EFB wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das PtU dankt der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) sowie den folgenden Unternehmen für Ihre Beteiligung an der Durchführung des Forschungsprojektes:

• Berg GmbH

• Thomas GmbH

• Hubert Stüken GmbH & Co. KG

• Graepel Löningen GmbH & Co. KG

• Raziol Zibulla & Sohn GmbH

• Filzek TRIBOtech GmbH

• accurapuls GmbH