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Umweltverträgliche Tribosysteme durch geeignete Werkstoffverbunde und Zwischenstoffe am Beispiel der Werkzeugmaschine: TP Bonderfreies Kaltfließpressen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Schaffung eines umweltfreundlichen Tribosystems für die Kaltumformung ohne vorherige Bonderbehandlung
In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden die im Sonderforschungsbereich SFB 442 entwickelten Methoden für den Prozess „Bonderfreies Kaltfließpressen“ in die industrielle Praxis überführt und erprobt. Hierbei bestand das Ziel in der Schaffung eines umweltfreundlichen Tribosystems für die Kaltumformung, das ohne vorherige Bonderbehandlung der Halbzeuge bei adäquaten Werkzeugstandzeiten einsetzbar war. Neben der Reduzierung der ökologischen Belastungen bot diese Lösung enormes Potenzial zur Kostenreduzierung in der industriellen Kaltumformung.

Neben des im Rahmen des SFB 442 entwickelten innovativen Nanolaminat-Schichtsystems (Ti,Hf)N mit nanostrukturierter CrN-Decklage, hergestellt mittels Physical Vapour Deposition (PVD)-Technologie, lagen aus dem SFB 442 bereits umfangreiche Erkenntnisse zu den erforderlichen ölbasierten Schmierstoffen sowie zur beschichtungsgerechten Werkzeuggestaltung vor. Wesentliche werk¬stoff-seitige Herausforderungen waren hierbei der massive adhäsive und abrasive Verschleiß aufgrund der hohen mechanischen Belastungen in der Kaltumformung. Seitens der Prozesstechnik musste eine ausreichende Verbundhaftfestigkeit zwischen Werkzeug und PVD-Beschichtung sichergestellt werden, um den Belastungen standzuhalten. Durch den Wissenstransfer sowohl werkstoff- wie prozessseitig in das industrielle Umfeld konnte die Lücke zwischen anwendungs¬orientierter Grundlagenforschung und industrieller Anwendung erfolgreich geschlossen werden.

2. Beschichtungsgerechte Werkzeugauslegung
Das erste Ziel des Transferprojektes im Rahmen des Arbeitspakets „Beschichtungsgerechte Werkzeugauslegung“ war es, zwei industriell eingesetzte Werkzeuge zum Kaltfließpressen dahingehend zu analysieren, ob die aktuelle Werkzeuggeometrie ohne Änderungen zielführend mit einer PVD-Schutzbeschichtung zur Steigerung der Verschleißfestigkeit beschichtet werden kann. Daher wurden seitens des Konsortiums zwei Fließpressprozesse definiert, die u.a. in der experimentellen Validierung der Projektergebnisse bei den Projektpartnern eingesetzt wurden. Bei dem Prozess eines Projektpartners handelte es sich um einen kombinierten Voll-Vorwärts- und Querfließprozess zur Herstellung eines Getriebewellenrohlings. Der Prozess des weiteren Projektpartners kombinierte einen Napf-Rückwärts- mit einem Voll-Vorwärts-Fließpressprozess, mit dem Rohlinge für Axiallagergehäuse für Automobil-Lenksysteme gefertigt werden. Beide Prozesse stellten hinsichtlich Reibung und Verschleiß hohe Anforderungen an das tribologische System des Umformprozesses.

3. Beschichtungsgerechte Werkzeugendbearbeitung

Die Zielsetzung des zweiten Arbeitspaketes war die Durchführung eines Verfahrensbenchmarks der vier Endkonturbearbeitungsverfahren Bürsten, Schleppschleifen, Druckfließläppen und Konturschleifen hinsichtlich ihres Potenzials zur Fertigung einer beschichtungsgerechten Werkzeugoberfläche. Darauf aufbauend wurde eine Anwenderrichtlinie erstellt. Diese sollte den Anwender in der Verfahrensauswahl zur optimalen Präparation der Kanten- und Innenformgeometrien der Versuchswerkzeuge unterstützen. Als Meilenstein für den Erfolg wurde festgelegt, dass mit Hilfe der erstellten Richtlinie die Auswahl eine geeigneten, möglichst allgemeingültige Präparationsmethode für Fließpresswerkzeuge ermöglicht werden sollte.

4. Upscaling von Beschichtungsprozessen

Auf Basis des im Rahmen des SFB 442 entwickelten Nanolaminat Schichtsystems (Ti,Hf)N+CrN auf einer Beschichtungsanlage im Labormaßstab wurde dieses Schichtsystem einerseits werkstofftechnisch zu (Ti,Zr)N/CrN+CrN weiterentwickelt und andererseits prozesstechnisch auf eine industrielle Beschichtungsanlage eines Projektpartners transferiert, so dass das Schichtsystem den industriellen Anforderungen an eine wirtschaftliche Beschichtung entsprach. Die auf der industriellen PVD- Beschichtungsanlage hergestellten Beschichtungen wurden im Rahmen des dritten Arbeitspaketes grundlegend analysiert. Hierdurch sollte in Kombination mit den Instrumenten der Prozess- und Plasmadiagnostik fortwährend gewährleistet werden, dass identische Schichteigenschaften und -leistungen im Vergleich bereits entwickelten Schichtsystemen des SFB 442 erreicht werden konnten. Darüber hinaus sollten die mit dem neu entwickelten, industriellen Beschichtungsprozess erzeugten Werkzeugbeschichtungen in den tribologischen Modellprüfständen und in den Umformprozessen der industriellen Projektpartner auf ihre Leistungsfähigkeit hin untersucht werden. Anhand der innerhalb dieses Arbeitspaketes entwickelten Werkzeugbegleitkarten wurde angestrebt, jederzeit auf direktem Weg Zugriff und Kontrolle auf den Erfolg der Kombination aus Werkzeugvor- und nachbehandlung und PVD-Hartstoffbeschichtung zu haben.

5. Schmierstoffentwicklung und –applikation
Das Ziel des vierten Arbeitspaketes war es, für die bonderfreien Umformprozesse der Industrie geeignete Schmierstoffe zu entwickeln. Dabei wurde im Speziellen auf die physikalischen und chemischen Oberflächenwirkmechanismen der entwickelten PVD-Beschichtung eingegangen und die schmierstoffseitigen Eigenschaften auf die Anforderungen des hier entwickelten tribologischen Systems abgestimmt. Im Schwerlast-Stift-Scheibe-Tribometer wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Schmierstoffe unter realitätsnahen umformtechnischen Randbedingungen analysiert. Die hier gewonnen Erkenntnisse bildeten anschließend die Entscheidungsgrundlage zur Schmierstoffauswahl für die Verifikationsversuche in der industriellen Realanwendung.

6. Experimentelle Validierung
Im Rahmen des fünften Arbeitspaketes wurde die Validierung der Erkenntnisse aus den vorherigen Arbeitspaketen in einem Serienprozess angestrebt. Ein erfolgreicher Abschluss des Transferprojekts wurde anhand von zwei Kriterien deutlich gemacht werden. Zum einen sollten die Werkzeugstandzeit und Bauteilqualität im Prozess mit 40 beschichteten Werkzeugen identische Werte gegenüber einem Prozess mit gebonderten Bauteilen aufweisen. Zusätzlich sollten die Serienprozesse mit beschichteten Werkzeugen maximal die Kosten je Fertigteil hervorrufen, die auch beim Serienprozess mit Bonder-schicht angefallen wären.

Der einstufige Verifikationsversuch auf einer Liebergeld 4 Stufenpresse aus dem Baujahr 1986 mit einer maximalen Presskraft von 400 Tonnen bewies das enorme Potenzial des im Rahmen des Transferprojekts entwickelten tribologischen Systems. Nach 3.775 gefertigten Versuchsteilen musste der Versuch abgebrochen werden, da keine weiteren Halbzeuge zur Verfügung standen, da nicht damit gerechnet wurde, eine derart hohe Stückzahl von Bauteilen durch einen ungebonderten Prozess herstellen zu können. Alle gefertigten Bauteile waren maßhaltig und innerhalb der geforderten Toleranzen, die für die einstufige Fertigung gelten. Analysen an den getesteten Werkzeugen zeigten, dass die TiZrN/CrN-Beschichtung in allen Bereichen voll intakt und verschleißtechnisch nicht angegriffen war.

Die Absicherung der sehr guten Ergebnisse aus dem industriellen Realversuch wurde innerhalb des Transferprojekts durch einen zweiten Industrieprozess umgesetzt. Alle bonderfrei gefertigten Bauteile entsprachen den geforderten Maßen und Toleranzen und konnten somit der Weiterverarbeitung zugeführt werden. Grundlegende Analysen der Werkzeuge nach dem Einsatz bestätigten, dass sich der überwiegende Teil der Beschichtung in einem fast ursprünglichen, unbenutzten Zustand befand. Lediglich an der Einlaufschräge zeigten sich kleinste Bereiche (zusammenhängende flächige Ausdehnungen bis max. 300 μm) mit adhäsiven Materialaufschmierungen, die sich vereinzelt auf der Schichtoberfläche angelagert hatten. Schichtdelaminationen konnten an keiner Stelle des Werkzeugs festgestellt werden.

Die industrielle Verifikation des bonderfreien Kaltfließpressens durch den anspruchsvollen Fließpressprozess konnten die hohe Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems in der industriellen Anwendung unter Beweis stellen. Es konnte gezeigt werden, dass auch ohne vorherige Bonderbehandlung der Halbzeuge durch eine prozessorientierte Kombination aus Werkzeugvorbehandlung, PVD-Beschichtung und Schmierstoff eine ökologische Alternative geschaffen werden kann.


Detaillierte Informationen zu den erzielten Ergebnissen können der projektrelevanten Literatur in unten stehender Liste entnommen werden.

Projektrelevante Literatur

K. Bobzin, N. Bagcivan, P. Immich, C. Warnke, F. Klocke, C. Zeppenfeld, P. Mattfeld, Advancements of nanolaminated TiHfN/CrN PVD Tool Coating by a nano-structured CrN Top Layer in Interaction with a Biodegradable Lubricant for Green metal Forming, Surface and Coatings Technology 203 20-21 (2009), 3184-3188

E. Lugscheider, K. Bobzin, C. Pinero, F. Klocke, T. Massmann, Development of a Supperlattice (Ti,Hf,Cr)N Coating for Cold Metal Forming Applications, Surface and Coatings Technology 177 (2004), 616-622




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