Untersuchung des Warm-Mikropräge- und Wälzprägeprozesses zur Herstellung von Schmiertaschen auf ebenen und gekrümmten Oberflächen

Von:

Adam David Szurdak

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Tribologisch beanspruchte Komponenten führen aufgrund von Reibung und Verschleiß zu Verlusten von Energie und Ressourcen. In die Kontaktfläche eingebrachte Schmiertaschen können die tribologischen Bedingungen ändern, sodass Reibung und Verschleiß reduziert sowie die Belastbarkeit und Lebensdauer der Komponenten erhöht werden. Zur Sicherstellung des Erhalts der Oberflächenstrukturen über die gesamte Lebensdauer der Komponenten sollten die Taschen in den härteren Tribokontaktpartner eingebracht werden. Die Strukturierung von höherfesten Werkstoffen durch umformende Verfahren führt jedoch zu hoher Werkzeugbelastung, die zur Beschädigung oder Zerstörung des Werkzeugs führen kann. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung und Erprobung von Methoden zur präzisen umformtechnischen Fertigung von Oberflächenstrukturen in höherfeste Werkstoffe, ohne dass es zur Beschädigung des Werkzeugs kommt. Als Probenwerkstoff wurde in den Untersuchungen der nichtrostende Stahl 1.4301 verwendet. Basierend auf einer Literaturstudie wurden in der ersten Versuchsreihe 17 Strukturen, die sich in ihrer Strukturgröße, Form und Flächendichte unterscheiden, in ebene Kontaktflächen unter Verwendung des Warm-Mikroprägeverfahrens eingebracht und in einem Kugel-Scheibe-Prüfstand tribologisch getestet. Zur Untersuchung der jeweiligen Prozessschritte beim Warm-Mikroprägen wurden FE-Modelle entwickelt und analysiert. Hierbei zeigt sich, dass im Prägeprozess die Probentemperatur, Prägetiefe, Flächendichte der Struktur und die Reibung einen entscheidenden Einfluss auf die Werkzeugbelastung besitzen. Kaum ein Einfluss zeigt in den untersuchten Variationen die Form der Struktur, Prägegeschwindigkeit und der Wärmeübergang zwischen Probe und Werkzeug. In den tribologischen Untersuchungen erreichten 15 der 17 Strukturen eine im Vergleich zur unstrukturierten Referenzprobe geringere Reibung. In Spitze konnten die Reibung über die komplette Stribeck-Kurve um das 3,4-fache und der Verschleiß um das 100-fache reduziert werden. Zwei Strukturen, die in der ersten Versuchsreihe die Reibung stark verringert haben, wurden zur Überprüfung der Übertragbarkeit der Ergebnisse in der zweiten Versuchsreihe übernommen. Mithilfe eines neu entwickelten Wälzprägeaufbaus wurden Wellen strukturiert, die zusammen mit kommerziell erhältlichen Bronzebuchsen in einem Gleitlagerprüfstand getestet wurden. Zur Verhinderung einer Werkzeugbeschädigung beim Prägen bei Raumtemperatur, wurden hochfeste Werkzeugwerkstoffe und eine Spannungsüberlagerung im Werkstück auf ihre Eignung geprüft. Die Untersuchung des Wälzprägeprozesses im FE-Modell zeigt, dass sich durch die hohe elastische Verformung des Werkzeugs und Werkstücks die Wulstbildung nicht verhindert werden kann. Auf die Werkzeugbelastung haben die Ausgangsfestigkeit des Werkstücks und die Reibung einen erheblichen Einfluss. Kaum einen Einfluss auf die Werkzeugbelastung haben die angestrebte Formfüllung und die Größe der Struktur in den untersuchten Variation. Die Verwendung einer Spannungsüberlagerung, bei der tangentiale Zugspannungen in die zu strukturierende Oberfläche eingebracht werden, wurde im Modell die Wulsthöhe, Prägekraft und Werkzeugbelastung bei gleichbleibender Prägetiefe reduziert. Im Versuch konnte dieser Effekt und die Ursache der Divergenz zwischen Modell und Versuch nicht eindeutig ermittelt werden. In den tribologischen Untersuchungen der Gleitlager konnte die Reibung über die komplette Stribeck-Kurve um das 2,1-fache und der Verschleiß um das 49-fache reduziert werden.