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Rundkneten ohne Schmierstoff

Februar 2018 — Trockene Massivumformung kann sich rechnen und schont die Umwelt. Die Universität Bremen forscht daran, den Schmierstoffeinsatz beim Umformen ganz zu vermeiden. Mittel zum Zweck sind funktionalisierte Formwerkzeuge, hier am Beispiel des Rundknetens.

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For our English speaking readers:
Rotary swaging without lubricant
Dry metal forming can be profitable and is kind to the environment. The University of Bremen is researching how lubricants can be eradicated in metal forming. Functionalised forming tools are the answer, shown here in conjunction with rotary swaging.

Rundkneten ist ein inkrementelles Massivumformverfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Lenkspindeln oder Antriebswellen in großer Stückzahl. Die vorzugsweise aus rohrförmigen Halbzeugen umgeformten Bauteile haben gegenüber spanend gefertigten Bauteilen bessere mechanische Eigenschaften. Diese entstehen unter anderem durch die Kaltverfestigung bei der umformenden Bearbeitung. Außerdem ermöglicht die Nutzung rohrförmiger Halbzeuge eine Anpassung der Bauteilwandstärke über die Bauteillänge, wodurch eine bessere Werkstoffausnutzung gewährleistet ist und damit ein großes Leichtbaupotential. Für gewöhnlich werden beim Rundkneten große Mengen Schmiermittel eingesetzt. Sie schützen die Werkzeuge vor adhäsivem und abrasivem Verschleiß und tragen wesentlich zur Bearbeitungsqualität bei. Weiterhin schmiert es das Knetwerk und spült die Umformzone, um Abriebpartikel auszutragen. Der Einsatz von Schmiermitteln beim Rundkneten verringert Reibung. Damit steigt die axiale Rückweiskraft: eine Prozesskraft die der Vorschubbewegung des Werkstücks entgegengesetzt ist. Sie zu reduzieren, haben konventionelle Rundknetwerkzeuge zusätzlich eine thermisch aufgespritzte raue Wolframkarbid-Kobalt-Schicht im Reduzierbereich. Dieser Bereich umfasst den Teil der Werkzeuge, in dem die primäre Umformung des Werkstückes erfolgt. Die Wolframkarbid-Kobalt-Schicht erhöht die Reibung im Kontakt von Werkzeugen und Werkstück.

 

Funktion des Schmiermittels ersetzen

Der Verzicht auf Schmierstoffe beim Rundkneten ist nach wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten innovativ. Die Funktionen des Schmiermittels müssen  durch neue Maßnahmen substituiert werden, um den veränderten tribologischen Randbedingungen zu begegnen. Konventionelle mit Wolframkarbid-Kobalt beschichtete Werkzeuge können dabei nicht mehr zur Reibungssteuerung eingesetzt werden, da die Spülwirkung des Schmiermittels wegfällt und sich die Schicht mit Abriebpartikeln zusetzt. Der hier vorgestellteAnsatz ist die Funktionalisierung der Werkzeugoberflächen, siehe Bild 1. Die Werkzeuge weisen eine mehrlagige Hartstoffbeschichtung auf, die dem Schutz der Werkzeug- und Werkstückoberfläche vor Adhäsion und Abrasion und der Reduktion des Partikelabriebs dient. Weiterhin kommt eine definierte geometrische Makrostrukturierung des Reduzierbereiches der Werkzeuge zum Einsatz, um die Reibung zwischen den Werkzeugen und dem Werkstück und somit die axiale Rückweiskraft zu kontrollieren. Letztendlich werden beide Werkzeugmodifikationen kombiniert, sodass funktionalisierte Werkzeugoberflächen die wesentlichen Funktionen des Schmiermittels ersetzen und ein schmiermittelfreies Rundkneten ermöglichen.

Als mehrlagiges Hartstoffschichtsystem wurde eine wolframdotierte, wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschicht (Cr/CrNx/(Cr,W)Cy/a-C:H:W/a-C:H) mit einer Gesamtschichtdicke von etwa 2,2 µm entwickelt. Zur Verbesserung der Schichthaftung besteht die erste Schicht aus einer etwa 0,5 μm dicken gradierten Chrom/Chromnitrid-Haftvermittlerschicht, welche direkt auf die Werkzeugoberfläche abgeschieden wird. Darauf folgt die gradierte, wolframdotierte 1,2 μm dicke amorphe Kohlenstoffschicht, wobei die Wolframdotierung der Erhöhung der Schlagzähigkeit des Schichtsystems dient. Dies ist besonders wichtig, um den impulsartigen Lasten des inkrementellen Umformens gerecht zu werden. Der Abschluss mit der rund 0,5 μm dicken und harten a-C:H-Funktionsschicht dient der weiteren Reduzierung der Adhäsionsneigung, speziell bei der Trockenrundkneten von Aluminiumwerkstücken. Die Beschichtung erfolgt in einer reaktiven Magnetron-Sputter-Anlage und zählt zu den PVD-Beschichtungsprozessen, ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung dünner Schichten über die Dampfphase.

Die entwickelte Strukturierung des Einlaufbereichs ist eine gradierte Kosinus-Struktur. Während die Wellenlänge der Kosinus-Struktur unverändert 1,3 mm über den gesamten Reduzierbereich beträgt, fällt die Amplitude beginnend vom Maximalwert 0,05 mm über acht Wellenzüge hin zum Reduzierbereich auf null ab. Eine solche Struktur verändert die Eingriffsbedingungen von Werkzeugen und dem Werkstück und auf diese Weise die Prozesskräfte, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Werkstückqualität.

Veränderte Eingriffsbedingungen von Tools und Teilen

Bild 2 zeigt einen vollständigen funktionalisierten Rundknetwerkzeugsatz aus vier Werkzeugbacken. Der dargestellte Werkzeugsatz verbindet beide erläuterte Maßnahmen, die Hartstoffbeschichtung mit der beschriebenen amorphen Kohlenstoffschicht und die Strukturierung des Reduzierbereiches, zur trockenen Auslegung des Rundknetprozesses. Mit dem gezeigten Rundknetwerkzeugsatz wurden in trocken durchgeführten Versuchen erfolgreich Stahl- und Aluminiumwerkstücke in ihrem Durchmesser reduziert. Die Werkzeuge zeigten sich beständig gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß. Ferner konnte die axiale Rückweiskraft sogar unter das Vergleichsmaß aus einem konventionellen, geschmiertem Rundknetexperiment reduziert werden. Die nur geringe Menge entstandener Abriebpartikel hatte weder einen Einfluss auf die Werkstückqualität noch auf die Prozesssicherheit. Die erzeugten Werkstückoberflächen, sowohl an den Stahl- als auch an den Aluminium-Werkstücken, sind nahezu vergleichbar mit denen in konventionellen, geschmierten Prozessen gefertigten Werkstücken. Im Ergebnis: die vorgestellten Werkzeugmodifikationen substituieren zuverlässig die wesentlichen Funktionen des Schmierstoffes und bilden somit die Grundlage für eine trockene Prozessauslegung beim Rundkneten: Das Trockenrundkneten läuft wie geschmiert.

Die gezeigten technischen Maßnahmen zur trockenen Auslegung des Rundknetprozesses sind das Ergebnis der interdisziplinären Arbeiten von drei Forschungsstellen in Bremen: dem Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (BIME) sowie der Abteilung Oberflächentechnik und dem Labor für Mikrozerspanung des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien (IWT). Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1676 „Trockenumformen – Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik“ im Teilprojekt „Trockenrundkneten“ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Universität Bremen
Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (BIME)
Badgasteiner Straße 1, 28359 Bremen
Ansprechpartner ist Marius Herrmann
Tel.: +49 421 21864822
herrmann@bime.de
www.bime.de

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT)
Badgasteiner Straße 3, 28359 Bremen
Ansprechpartner ist Henning Hasselbruch
Tel.: +49 421 21851400
hasselbruch@iwt-bremen.de
www.iwt-bremen.de

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