Authors: Rausch, Sascha
Title: Modellgestützte Endbearbeitung hartstoffbeschichteter Tiefziehwerkzeuge
Language (ISO): de
Abstract: Thermische Spritzverfahren bieten eine effiziente Möglichkeit zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit kostenintensiver Umformwerkzeuge zur Herstellung von Bauteilen aus hochfesten Stahlwerkstoffen. Aufgrund der hohen Ausgangsrauheit nach dem Beschichtungsprozess sowie der auftretenden Form- und Maßfehler infolge inhomogener Schichtdicken ist jedoch eine Nachbearbeitung der tribologisch beanspruchten Funktionsflächen notwendig. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Topographien freigeformter Oberflächen von hartstoffbeschichteten Umformwerkzeugen mit Hilfe mechanischer Nachbearbeitungsverfahren derart zu konditionieren, dass ein erfolgreicher Einsatz im Umformprozess ermöglicht und somit die Standzeit der Umformwerkzeuge verlängert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Verfahren NC-Formschleifen mit Schleifstiften und Festklopfen bzw. Machine Hammer Peening (MHP) zur Nachbearbeitung der Hartstoffschichten gegenübergestellt. Hinsichtlich der Endbearbeitung von freigeformten Oberflächen, wie sie größtenteils bei Umformwerkzeugen vorliegen, können beide Verfahren auf Bearbeitungszentren flexibel eingesetzt werden. Die Herausforderungen an die Prozessauslegung des NC-Formschleifens stellen dabei zum einen die hohe Härte der Beschichtungen und zum anderen die durch die geringe Anzahl von effektiven Schneiden einhergehende eingeschränkte Zerspanleistung der eingesetzten Schleifstifte dar. Für die Prozessoptimierung wird eine Analyse der komplexen Eingriffsbedingungen zwischen den Schleifwerkzeugen und der freigeformten Oberfläche benötigt, welche unter Verwendung einer geometrisch-physikalischen Prozesssimulation durchgeführt wird. Neben der Optimierung der Prozessparameterwerte stellt die Anpassung der makroskopischen und mikroskopischen Werkzeuggestalt an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe ein geeignetes Mittel zur effizienten Bearbeitung freigeformter Oberflächen dar. Bei der MHP-Bearbeitung von Verschleißschutzschichten, welche im Rahmen dieser Arbeit erstmals durchgeführt wurde, wird die erzielte Werkstückqualität insbesondere durch die Schichtdicke, die Porosität und die Schichthaftung beeinflusst. Darüber hinaus ist bei der Prozessgestaltung die begrenzte Verformbarkeit der thermisch gespritzten Hartstoffschichten infolge mechanischer Belastungen ein limitierender Faktor, so dass bei einer zu hohen lokalen Flächenpressung Mikrorisse initiiert werden können. Um eine schädigungsfreie Bearbeitung durchführen zu können, wird eine Prozessoptimierung unter Berücksichtigung der Hauptprozesseinflussgrößen Schlagenergie und Schlagabstand durchgeführt. Abschließend erfolgt die Umsetzung beider Bearbeitungskonzepte zur Endbearbeitung von beschichteten Testwerkstücken und Tiefziehwerkzeugen mit freigeformten Oberflächen. Dabei wird gezeigt, dass beide Prozesse zur erfolgreichen Nachbearbeitung der Hartstoffschichten geeignet sind.
Thermal spraying processes provide efficient possibilities for improving the wear resistance of cost-intensive forming tools for the manufacturing of high-strength sheet metal made of steel. Due to the high surface roughness after the coating process as well as the shape and dimensional deviations as a consequence of inhomogeneous coating thicknesses, a subsequent machining of the tribologically stressed functional surfaces is necessary. The objective of this dissertation is the tailored conditioning of free-form surface topographies on hard-material-coated forming tools for enabling the successful application in forming processes with a suitable lifetime of the forming tools. To achieve this purpose, NC shape grinding using abrasive mounted points and Machine Hammer Peening (MHP) are applied within the postprocessing of the hard material coatings. Both processes can be set up on machining centers, making them applicable to the machining of free-form surfaces, which is often a prerequisite for manufacturing forming tools. The high hardness of the coatings and the restricted cutting performance due to the small amount of effective cutting grains on the used mounted points pose challenges to be addressed during process design. For optimizing the process, an analysis of the complex engagement conditions between the grinding tools and the free-formed surfaces is required, which is carried out using a geometric-physical process simulation. In addition to the optimization of the process parameter values, the macroscopic and microscopic tool shapes can be adopted to the particular machining task, enabling the efficient machining of free-formed surfaces. The MHP processing of wear-resistant coatings, has been performed for the first time in this dissertation. The achieved surface quality is affected in particular by the layer thickness, porosity and adhesion of the coating. In addition, the limited deformability of the thermally sprayed hard-material coatings as a consequence of mechanical stresses is a limiting factor in the design process, as high local surface pressures can initiate micro-cracks. In order to avoid such damages during machining, the main process factors impact energy and impact spacing are optimized. Finally, both processing concepts are applied to the finishing of coated test workpieces and deep drawing tools with free-form surfaces. The suitability of both processes for a successful finishing of the hard coatings is empirically shown.
Subject Headings: Schleifen
Werkzeug- und Formenbau
Festklopfen
Prozesssimulation
Subject Headings (RSWK): Formschleifen
Schleifwerkzeug
Werkzeugbau
Prozesssimulation
URI: http://hdl.handle.net/2003/35116
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-17163
Issue Date: 2016
Publisher: Vulkan-Verlag
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