Laser hardening of deep drawing tools for industrial usage

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden die verschiedenen Verschleißmechanismen von Tiefziehwerkzeuge bzw. die Prävention dieser Probleme durch Laserhärten untersucht. Die Abnutzung der Werkzeuge kann bei der Verarbeitung von Metall-blechen in vieler Fällen von der inadäquaten Oberflächenhärte abgeleitet werden. Aufgrund der niedrigen Härte des Werkzeugs entstehen Kratzer auf den Tiefziehradien und an den Schnittkanten, die später auf das zu verformende Blech übertragen werden. Die erarbeitete Laserhärtestrategie ist daher von großer Bedeutung zur Vermeidung solcher Oberflächenbeschädigungen für industrielle Anwendungen. Im ersten Teil wird der theoretische Hintergrund und der Stand der Technik von Lasern dargestellt. Danach gibt es ein kleiner Umweg, wobei die möglichen Härtemessmethoden untersucht werden bzw. das passende Verfahren für Härtemessung von Dünnschichten ausgewählt wird. In den Experimenten werden die zwei einfachsten Geometrieelemente von Tiefziehund Presswerkzeuge tiefgreifend analysiert, nämlich die Tiefziehradien und Schneidkanten. Zuerst wird die übliche Härtestrategie von Radien mit Hilfe von mikroskopische Aufnahmen erläutert und nachher wird eine verbesserte Methode, das sogenannte ”dreimalige Härten“ (engl. ”three times hardening) vorgeschlagen. Die neue und erweiterte Methode verringert die Rate der Abnutzung und erhöht damit das Lebensdauer der Werkzeuge bis zu 500 %. Für die Experimente werden Proben aus drei gewöhnlichen Werkzeugstählen hergestellt, nämlich 1.2312 (Warmarbeitsstahl - Böhler M200), 1.2379 (Kaltarbeitsstahl - Böhler K110) und 1.1730 (Karbonstahl - C45). Die Geometrie der Proben wurde so eingestellt, dass die Größenänderung der Radien mitberücksichtigt werden kann. Nach dem ”Einmal-” und ”Dreimal-härten” werden die Proben geschnitten und für das Ätzen vorbereitet, um mikroskopische Aufnahmen zu machen bzw. um die Unterschiede der Methoden untersuchen zu können. Beim Härten von Schneidecken werden die gleichen Stähle verwendet. Hier wird die Funktionalität und Schneidrichtung ebenfalls mitberücksichtigt, um den besten Einfallswinkel des Laserstrahls zu finden. Die Ergebnisse werden durch realen Werkzeuge validiert und ferner wird auch die Effizienz des Laserhärtens von Kostenseite her geprüft.

In this thesis the wear mechanisms of sheet metal processing tools and the prevention of these problems are studied. The typical wear behaviour of plate bending and cutting tools can be derived from the surface hardness of the tools. By laser transformation hardening the tools surface hardness is measured, the microstructure is observed and than a comparison is made between conventional heat treatment methods (induction hardening, oven hardening), coating methods (including nitriding) and the laser transformation hardening. The experiments are made on three dierent steels, C45 (DIN 1.1730), 1.2312 (M200, hot work tool steel) and 1.2379 (K110, cold work tool steel). The two simplest geometry features (bending radius and 90 cutting edge) are chosen to determine the possible laser hardening strategies. First the bending radii are investigated. The aim was to nd an optimal laser hardening method by taking the wear behaviour into account. By this means the so called “three times hardening” is introduced, by hardening the bending radii from 3 angles (top, side and 45). The result shows that the overall reachable hardness is denitely high (60-62 HRC) and the back tempering eect of the overlapping zones is relative small and it can be neglected. Than the laser hardening of cutting edges from dierent inclination angles is investigated. Three dierent angles are chosen (45, 70 and 90respect to the cutting direction of the tool) to select the right hardening angle. The results show that the 90 is the best to prevent the melting of the tools edge and to reach a constant layer thickness. This investigation also shows that the cutting tool can be resharpened several times so tooling costs can be spared. Taking together, these results are useful to increase the eciency of the laser hardening technology and to decrease the tooling and maintaining costs of companies