Untersuchungen der Wirkzusammenhänge zwischen Topographie, Reibung und Verschleiß beim Tribosystem Werkzeug-Werkstück in der Warmmassivumformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Forschungsvorhaben wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen der Topographie von Schmiedegesenken auf die tribologischen Eigenschaften im Einsatz untersucht. Grundsätzlich wurden alle Arbeiten gemäß dem Projektantrag durchgeführt. Etwaige Änderungen wurden aufwandsgleich und zuwendungsneutral durchgeführt und wie in den AP´s aufgeführt hinreichend begründet und trugen somit zu einem erfolgreichen Abschluss des Forschungsvorhabens bei. Durch flächenhafte Rauheitsmessungen sowie einer Analyse abgeschlossener Bereiche (fungieren als Schmiertaschen) in der behandelten Topographie konnten Gesenkoberflächen ermittelt werden, die günstige tribologische Kontaktbedingungen erzeugten. Diese zeichnen sich aus einer Kombination aus vergleichsweise geringer Rauheit und dem gleichzeitigen Auftreten der Schmierstofftaschen aus. Dadurch kann von einer effektiven Verringerung der realen Kontaktfläche ausgegangen werden. Dies wird durch einen geringen Anteil an Festkörperreibung erzielt, der zum einen durch das Vorhandensein möglichst weniger Rauheitsspitzen aufgrund geringer Rauheit und zum anderen von der Bereitstellung von möglichst vielen Bereichen mit Schmierstoff hervorgerufen wird. Dies resultierte in geringen Reibfaktoren sowie Umformkräften, die insbesondere unter der Verwendung von Schmierstoff auftraten. Trotz erhöhter Rauheit und hohen Reibfaktoren im ungeschmierten Zustand konnte für die runden Strahlmedien S170–48 HRC und S330–48 HRC unter Verwendung von Schmierstoff eine Verringerung der Reibfaktoren im Vergleich zur gedrehten Referenz festgestellt werden. Dieser Effekt wird auf verbesserte Kontaktbedingungen aufgrund von geschlossenen Schmiertaschen zurückgeführt, die für eine effektive Bereitstellung von Schmierstoff während der Umformung sorgen. Aufgrund der abweichenden Ergebnisse zu allen anderen Strahlmedien, wurde Korund F30 mit in die Serienschmiedeversuche aufgenommen. Aus diesen Gründen wurden für die Serienschmiedeversuche die mit S170-48HRC, S330-48HRC und Korund F30 modifizierten Gesenke eingesetzt. Aus den Ergebnissen der Serienschmiedeversuche inklusive der zerstörungsfreien und zerstörenden Untersuchungen kann festgehalten werden, dass die Gesenke grundsätzlich an thermisch hochbelasteten Bereichen Entfestigungen erfahren haben, die zu Abweichungen der Gesenkgravurgeometrie führten. Unter Berücksichtigung der Eigenspannungsmessungen sowie der metallographischen Untersuchungen, wurden Risse detektiert sowie an belasteten Gesenkbereichen Zugspannungen. Die infolge der Strahlbehandlungen eingebrachten Druckspannungen lagen lediglich an unbelasteten bzw. rein thermisch (Werkzeugheizung) beanspruchten Gesenkbereichen vor. Dennoch trugen die eingebrachten Zugeigenspannungen zu einem Rückgang der maximalen Zugspannungsbeträge bei. Die Behandungsstrategie mit dem tendenziell höchsten Potential zur Beeinflussung des tribologischen Systems ist das Strahlmedium S330-48HRC, denn es konnten niedrige Oberflächenrauheiten, geringe Reibfaktoren sowie einer reduzierten Geometrieänderung des Werkzeugs im Schmiedebetrieb detektiert werden. Abschließend kann festgehalten werden, dass eine gezielte Topographieänderung durch Strahlmedien in Modellversuchen (Zylinder- und Ringstauchversuchen) das tribologische System zwischen Werkzeugoberfläche und Werkstück gezielt beeinflusst. In Serienprozessen mit komplexeren Gesenkgravuren sowie erhöhten Werkzeugbelastungen, konnten leichte Verbesserungen des Verschleißverhaltens beobachtet werden, die Topograhien jedoch nicht über einen längereb Zeitraum konserviert werden, denn es stellten sich Behandlungsunabhängig nach circa 100 Schmiedezyklen Oberflächeneinebnungen ein. Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes, würden sich topographiekonservierende Oberflächenmodifikationen anbieten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of Shot Peened Surfaces on Friction in Hot Forging, Surface and Topography: Metrology and Properties, Volume 6, Number 4, 2018
Bernd-Arno Behrens, Lennard Lippold
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/2051-672X/aae91c) - Einfluss des Strahlguts auf die Topographie und Reibung an Werkzeugen der Warmmassivumformung, WGP-Jahreskongress 2019, Hamburg 29.09. – 02.10.2019
Tom Petersen, Bernd-Arno Behrens, Lennard Lippold
- Verbesserung tribologischer Eigenschaften von Schmiedegesenken durch Oberflächenkonditionierung mittels Strahlverfahrenstechnik, Dissertation, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover, Garbsen : TEWISS Verlag 2021. 1
Lennard Lippold
