Tribomechanische und schmierungstechnische Effekte beim Innengewindeformen : Systemanalyse und tribometrische Studien

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die tribologischen Verhältnisse beim Gewindeformen. Hierzu wurde ein Fertigungsprozess herangezogen und im Labormaßstab nachgestellt. Ziel der Untersuchungen war es, die Mechanismen im Kontakt zu identifizieren deren Auswirkung auf die Lebensdauer zu verstehen und Schlussfolgerungen für die Prozessoptimierung zu liefern.<br />Am Beginn der Arbeit stand eine Schadensuntersuchung und Tribosystemanalyse. Es konnte festgestellt werden, dass vorwiegend Ermüdung des Substratwerkstoffs an den Formkeilspitzen zum Schaden beiträgt. Um die Lebensdauer zu erhöhen bzw. die Taktzeit zu steigern, war es notwendig, die wirkende Beanspruchung auf das Werkzeug zu senken.<br />Im ersten Schritt wurde der Einfluss der Viskosität untersucht. Die Experimente zeigten, dass Mischreibung zwischen den Reibpartnern Vorliegt und der Anteil der Flüssigkeitsreibung mit steigender Schmierstoffviskosität zunimmt.<br />Um die Wirtschaftlichkeit der Gewindeherstellung zu steigern, ist eine Beschleunigung der Taktzeit gegenüber bestehenden Prozessen gefordert.<br />Bei der Untersuchung der Bearbeitungsgeschwindigkeit konnte ein Zusammenhang aus Strömungsverhalten des Schmierstoffs, der Werkzeuggeometrie und der Pressung in Abhängigkeit der Fließgrenze des Umformguts festgestellt werden. Die Ergebnisse belegen, dass die Basisölklasse (paraffinisch, naftenisch, PAO) bzw. die Werkzeuggeometrie auf das jeweilige Umformgut und den jeweiligen Prozess ein zu stellen ist.<br />Nach Untersuchung der Reibsituation wurde die Wirkung von Additiven im Bereich der Mischreibung untersucht. Hierzu wurden typische Metallbearbeitungsadditive (EP, AW, PEP, FM etc.) herangezogen. Es konnte gezeigt werden, dass die Wirkung der Additive vor allem im Bereich des Fressens liegt. Diese Zusammenhänge wurden in weiterer Folge für verschiedene Werkzeugbeschichtungen (TiN, TiCN, CrAlN, TiAlN, DLC) untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass die Beanspruchung auf das Werkzeug im Fertigungsprozess - bei sonst gleichen Prozessparametern - bei richtiger Wahl des Additivs kaum abhängig von der Werkzeugbeschichtung ist. Die Lebensdauer des Werkzeugs hängt unter diesen Umständen von der Beständigkeit der Beschichtung gegenüber mechanisch und thermisch zyklischen bzw. chemischen Beanspruchungen ab.<br />Um eine Aussage über die Lebensdauer treffen zu können, wurden in einem Modellversuch die zyklische Belastung des Schichtsystems nachgestellt und die experimentell ermittelten Lebensdauerkurven miteinander verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Wahl der richtigen Beschichtung für einen Prozess von den wirkenden zyklischen Spannungen (mechanisch bzw. thermisch) und der chemischen Umgebung abhängt.<br />