Die Standzeit von Stempeln beim Scherschneiden oder artverwandten Verfahren wird stark von der Oberflächenbeschaffenheit der eingesetzten Werkzeuge beeinflusst. Durch den Einsatz spezieller Hammerköpfe kann die Oberfläche von metallischen Werkstoffen durch maschinelles Oberflächenhämmern gezielt strukturiert werden. Die so erzeugten Mikroindentionen wirken als Schmierstoff- und Verschleißpartikelreservoir. Dadurch ist es möglich, die effektive Standzeit der Werkzeuge zu erhöhen.

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.

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 wurden zunächst durch Simulationen definiert. So konnte bereits die aus der Klemmkraft des Blechs auf die Mantelfläche wirkende Kontaktnormalspannung numerisch quantifiziert werden und ermöglicht so das erfassen des resultierenden tribologischen Lastkollektivs im Stanzprozess. Die Simulation der Mikrostrukturierung 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. Die vollständige Prozesskette ist in Abb. 1 gezeigt.

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 Klimaschutz 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.

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