Zusammenfassung

Grübchenbildung in Stanzwerkzeugen ist eine schwere Form des adhäsiven Verschleißes, bei der hoher Druck und Reibung dazu führen, dass sich die Oberflächen von Werkzeug und Werkstück miteinander verbinden, was zu Materialübertragung, Beschädigungen und Betriebsstörungen führt. Die wirksame Behebung von Grübchenbildung erfordert einen systematischen Ansatz, beginnend mit grundlegendem Werkzeugdesign und Wartung. Zu den wichtigsten Lösungen gehören die Einhaltung der korrekten Stanzspaltweite, das Polieren der Oberflächen zur Verringerung der Reibung, die Auswahl geeigneter Werkzeugwerkstoffe und fortschrittlicher anti-adhäsiver Beschichtungen sowie die richtige Schmierung unter Berücksichtigung der Maschinengeschwindigkeit.

Was ist Grübchenbildung und warum tritt sie in Stanzwerkzeugen auf?

Kalten ist eine Form von schwerem adhäsivem Verschleiß, der auftritt, wenn zwei metallische Oberflächen unter Gleitkontakt hohem Druck und Reibung ausgesetzt sind. Bei Stanzoperationen kann sich dieses Phänomen schnell von einem geringfügigen Problem zu einer erheblichen Ursache für Stillstände und Werkzeugausfälle entwickeln. Im Gegensatz zum allmählichen abrasiven Verschleiß ist Kalten ein schneller Prozess, bei dem die mikroskopisch kleinen Erhebungen oder Unregelmäßigkeiten auf den Oberflächen von Werkzeug und Werkstück miteinander verschmelzen. Dieser Vorgang wird oft als eine Form des "Kaltverschweißens" beschrieben. Wenn sich die Oberflächen weiter bewegen, löst sich diese Verbindung wieder, wodurch Material von einer Oberfläche zur anderen gerissen und übertragen wird, wodurch ein charakteristischer, erhabener Wulst entsteht, der als Kalte bekannt ist.

Die Ursache für Kalten liegt in der Kombination von Reibung und Adhäsion auf mikroskopischer Ebene. Wie in einem Artikel von Fractory , selbst scheinbar glatte Metallflächen weisen Unebenheiten auf. Unter dem enormen Druck einer Stanzpresse kommen diese Asperitäten in Kontakt, erzeugen Wärme und zerstören schützende Oxidschichten. Wenn das rohe, reaktive Metall freigelegt wird, können die Flächen starke metallische Bindungen eingehen. Diese Adhäsion führt dazu, dass Material von der schwächeren Oberfläche abgetragen und auf die stärkere Oberfläche übertragen wird, wodurch ein Zyklus sich verschärfender Beschädigungen eingeleitet wird. Die neu gebildete Anlauffläche verursacht noch mehr Reibung und beschleunigt den Verschleißprozess über die gesamte Werkzeugoberfläche.

Mehrere Faktoren können Anlaufen in Stanzwerkzeugen auslösen oder verschlimmern. Das Verständnis dieser Auslöser ist der erste Schritt zur wirksamen Vorbeugung. Materialien mit hoher Duktilität und einer Neigung zur Bildung passiver Oxidschichten, wie beispielsweise Edelstahl und Aluminium, sind besonders anfällig. Wird diese Schicht beschädigt, ist das darunterliegende Metall hochreaktiv und neigt zur Bindungsbildung. Zu den wichtigsten Auslösern gehören:

• Unzureichende Schmierung: Unzureichende oder falsche Schmierung schafft keine wirksame Barriere zwischen den Gleitflächen, wodurch direkter Metall-auf-Metall-Kontakt entsteht.
• Hoher Kontaktdruck: Übermäßige Kraft, oft verursacht durch falsche Matrizenpassung oder Bauteilgestaltung, erhöht die Reibung und die Wahrscheinlichkeit, dass Rauigkeiten miteinander verschweißen.
• Ähnliche oder weiche Materialien: Die Verwendung ähnlicher Metalle für Matrize und Werkstück erhöht die Gefahr der atomaren Bindung. Weichere Materialien verformen sich leichter und fördern dadurch Adhäsion.
• Verschmutzungen und Fremdkörper: Kleine Metallpartikel oder andere Verunreinigungen, die zwischen den Flächen eingeschlossen sind, können als Abrasiva wirken, die schützenden Schichten abtragen und so Kalten zu initiieren.
• Übermäßige Wärme: Hohe Betriebsgeschwindigkeiten können erhebliche Wärme erzeugen, wodurch die Materialien weicher werden und anfälliger für Anhaftung sind.

Vorbeugende Lösungen: Matrizengestaltung, Passung und Wartung

Bevor aufwändige Beschichtungen oder spezielle Schmierstoffe eingesetzt werden, liegen die effektivsten und nachhaltigsten Lösungen gegen Kaltverschweißung in der grundlegenden Werkzeugkonstruktion und einer sorgfältigen Wartung. Wie von Experten in MetalForming Magazine bemerkt wurde, ist die Behebung der zugrundeliegenden mechanischen Ursachen von größter Bedeutung. Wenn das Werkzeugdesign fehlerhaft ist, überdecken andere Maßnahmen oft nur das Problem, anstatt es wirklich zu beheben. Ein proaktiver, auf Mechanik ausgerichteter Ansatz schafft eine solide Grundlage für eine störungsfreie Stanzoperation.

Der einzige entscheidende Faktor zur Vermeidung von Kaltverschweißung ist die richtige Stanzstempel-zu-Matrize-Spielbreite. Während Konstrukteure normalerweise die Materialdicke berücksichtigen, wird manchmal übersehen, dass sich Blech verfestigt, wenn es einer Flächenpressung unterzogen wird, insbesondere in tiefgezogenen Ecken. Diese Verdickung kann die vorgesehene Spielbreite aufheben, wodurch die Matrize das Material einklemmt und Reibung sowie Druck erheblich erhöht. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, muss zusätzliche Spielbreite in die vertikalen Wände der Zugform-Ecken eingearbeitet werden, um den Materialfluss zu ermöglichen. Für Hersteller, die auf hochpräzise Ergebnisse ausgerichtet sind, ist der Einsatz fortschrittlicher CAE-Simulationen und umfangreicher Projektmanagement-Expertise entscheidend. Spezialisten für kundenspezifische Werkzeuge wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. integrieren diese Konstruktionsprinzipien von Anfang an in ihre Automotive-Stanzwerkzeuge, um Effizienz und Bauteilqualität für OEMs und Tier-1-Zulieferer sicherzustellen.

Neben dem Freiraum spielt die Oberflächenbeschaffenheit der Werkzeugteile eine entscheidende Rolle. Das Polieren und Schleifen von Werkzeugabschnitten verringert die mikroskopisch kleinen Spitzen, die zur Kaltverschweißung führen können. Die beste Vorgehensweise ist, die Oberflächen parallel zur Richtung der Stanzbewegung zu polieren, wodurch der Weg für das Werkstückmaterial geglättet wird. Die Qualität dieses Polierens sollte so hoch sein, als würde die Komponente für eine teure Oberflächenbeschichtung vorbereitet. In vielen Fällen sind die Leistungssteigerungen, die einer Beschichtung zugeschrieben werden, tatsächlich auf die hervorragende Oberflächenvorbereitung zurückzuführen, die für deren Auftrag erforderlich ist. Daher ist eine gründliche Polierprozedur eine kostengünstige vorbeugende Maßnahme.

Eine umfassende Wartungsstrategie ist für die langfristige Vorbeugung unerlässlich. Sie umfasst eine Reihe wiederholbarer Schritte, die sicherstellen, dass das Werkzeug stets in optimalem Zustand bleibt. Zu den wichtigsten Wartungsmaßnahmen gehören:

1. Freiraum prüfen und anpassen: Messen Sie regelmäßig den Stanzspalt zwischen Stempel und Matrize, wobei besonderes Augenmerk auf Verschleiß in kritischen Bereichen wie Ziehecken zu legen ist. Als allgemeiner Tipp schlägt Rolleri vor, dass eine geringfügige Erhöhung des Matrizenspalts (z. B. um 0,1 mm) manchmal zur Verringerung von Anrisse führen kann.
2. Oberflächenbeschaffenheit beibehalten: Führen Sie regelmäßig eine Abstein- und Politurplanung für Matrizenoberflächen durch, die Anzeichen von Reibung oder Materialanhängern zeigen.
3. Werkzeugschärfe sicherstellen: Abgenutzte Stempel und Matrizenkanten erhöhen die zum Schneiden und Umformen erforderliche Kraft, was wiederum mehr Wärme und Druck erzeugt. Das Beibehalten scharfer Werkzeuge ist ein grundlegender Schritt zur Verringerung von Anrissen.

Erweiterte Lösungen: Werkstoffauswahl, Härten und Oberflächenbeschichtungen

Wenn geeignete Konstruktions- und Wartungspraktiken für Werkzeuge vorhanden sind, bietet die Werkstoffkunde die nächste Schutzschicht gegen Kaltverschweißung. Durch sorgfältige Auswahl, Härten und Beschichten von Werkzeugmaterialien können Oberflächen geschaffen werden, die von Natur aus widerstandsfähig gegenüber den adhäsiven Kräften sind, die zur Kaltverschweißung führen. Diese fortschrittlichen Lösungen sind besonders wirksam beim Stanzen anspruchsvoller Materialien wie Edelstahl oder Aluminium.

Eine der effektivsten Strategien besteht darin, für Bauteile im Gleitkontakt unterschiedliche Metalle zu verwenden. Wie detailliert beschrieben wird, bilden Materialien mit unterschiedlichen atomaren Strukturen und Härtegraden weniger wahrscheinlich die mikroskopisch kleinen Schweißverbindungen, die zur Kaltverschweißung führen. Beispielsweise kann die Verwendung einer Buchse aus Bronze oder Messing zusammen mit einem Stanzstempel aus Stahl Reibung und Adhäsion erheblich verringern. 3ERP bei der Auswahl von Werkzeugstählen bietet ein Sortiment mit höherer Härte und besseren Verschleißwiderstand einen stärkeren Schutz gegen die Anfangsphase des Materialanlagerns.

Materialhärtungsbehandlungen verbessern die Widerstandsfähigkeit eines Werkzeugs weiter. Diese Verfahren verändern die Oberfläche des Stahls, um eine äußerst harte Außenschicht zu erzeugen, während die Zähigkeit des Kerns erhalten bleibt. Zu den gängigen Behandlungen, die wirksam gegen Kaltverschweißung sind, gehören Nitrieren, Aufkohlen und Durchhärten durch Wärmebehandlung. Beim Nitrieren wird beispielsweise Stickstoff in die Oberfläche des Stahls eingediffundiert, wodurch harte Nitridverbindungen entstehen, die die Oberflächenhärte und Gleitfähigkeit deutlich erhöhen und es so erschweren, dass Werkstückmaterial anhaftet.

Für anspruchsvollste Anwendungen bieten Anti-Kaltverschweißungs-Beschichtungen eine abschließende, robuste Barriere. Diese speziellen Oberflächenbehandlungen sind darauf ausgelegt, die Reibung zu verringern und Adhäsion zu verhindern. Es ist wichtig, eine Beschichtung zu wählen, die für die jeweilige Anwendung geeignet ist, da jede unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile aufweist.

Obwohl diese materialbasierten Lösungen sehr effektiv sind, sollten sie erst in Betracht gezogen werden, nachdem mechanische Aspekte wie Spiel und Oberflächenbeschaffenheit gründlich behandelt wurden. Sie stellen eine erhebliche Investition dar und liefern die beste Rendite, wenn sie auf ein grundsätzlich solides Werkzeugdesign angewendet werden.

Betriebliche Lösungen: Schmierung und Maschinenanpassungen

Während Konstruktion und Materialien die Grundlage zur Verhinderung von Kaltverschweißung bilden, stellen Anpassungen während des Stanzvorgangs eine entscheidende Methode zur Echtzeitkontrolle dar. Eine wirksame Schmierung und korrekte Maschineneinstellungen können die unmittelbaren Bedingungen – Reibung, Wärme und Druck – beeinflussen, die zur Kaltverschweißung führen. Diese betrieblichen Lösungen bilden die erste Verteidigungslinie für einen Pressenbediener auf der Produktionsfläche.

Die Schmierung ist vermutlich der wichtigste betriebliche Faktor. Ein hochwertiger Schmierstoff bildet einen Schutzfilm, der direkten Metall-auf-Metall-Kontakt verhindert, die Reibung verringert und zur Ableitung von Wärme beiträgt. Entscheidend ist die Verwendung eines Schmierstoffs, der speziell für den Stanzprozess und die verwendeten Materialien geeignet ist. Anti-Seize-Verbindungen, die oft feste Partikel wie Graphit oder Kupfer enthalten, sind besonders effektiv, um Kaltverschweißung unter hohem Druck zu verhindern. Allerdings ist zu beachten, dass Schmierung nur eine kurzfristige Lösung sein kann, wenn sie lediglich einen grundlegenden Fehler wie falsche Matrizenpassung ausgleichen soll. Eine überschwemmende Schmierung kann das Problem zwar vorübergehend beheben, führt jedoch zu Reinigungsproblemen und höheren Kosten, ohne den zugrunde liegenden mechanischen Fehler zu beheben.

Maschineneinstellungen haben ebenfalls einen erheblichen Einfluss. Die Verringerung der Hubzahl der Presse ist eine einfache, aber effektive Maßnahme gegen Kaltverschweißung. Langsamere Geschwindigkeiten erzeugen weniger Wärme, wodurch Schmierstoffen mehr Zeit zur Wirkung bleibt und die Neigung des Materials, sich zu verformen und anzuhängen, reduziert wird. Dies ist besonders wichtig bei Werkstoffen wie Edelstahl, die sich beim Umformen schnell verfestigen und dabei erhebliche Wärmemengen erzeugen.

Schließlich ist die Aufrechterhaltung einer sauberen Betriebsumgebung unerlässlich. Eine praktische Checkliste für Pressenbediener, die befolgt werden kann, wenn Kaltverschweißung festgestellt wird, hilft dabei, das Problem schnell zu diagnostizieren und zu beheben:

• Schmierung prüfen: Wird der richtige Schmierstoff in der richtigen Menge und am richtigen Ort aufgetragen?
• Maschinengeschwindigkeit verringern: Die Hubzahl senken, um die Betriebstemperatur zu reduzieren.
• Werkzeuge und Werkstück reinigen: Sicherstellen, dass keine Rückstände, Späne oder Verunreinigungen auf den Matrizenoberflächen oder dem zuführenden Material vorhanden sind.
• Zustand des Werkzeugs überprüfen: Überprüfen Sie die Stanzstempel und Matrizen auf abgestumpfte Kanten, da diese den Umformdruck und die Reibung erhöhen.
• Werkzeugfolge anpassen: Bei einigen Verfahren, wie dem Längsschneiden, kann die Änderung der Bearbeitungsreihenfolge zu einer „Brücken“-Reihenfolge Materialansammlungen und Kaltverschweißungen verhindern.

Ein vielseitiger Ansatz zur Beseitigung von Kaltverschweißungen

Die wirksame Bekämpfung von Kaltverschweißungen bei Stanzwerkzeugen beruht nicht auf einer einzigen Wunderlösung, sondern erfordert vielmehr eine mehrschichtige, systematische Strategie. Die erfolgreichsten Stanzoperationen erkennen, dass nachhaltige Lösungen auf einer soliden Grundlage im Werkzeugdesign und in der Wartung basieren. Die Einhaltung der korrekten Stempel-Matrizen-Spielweite, insbesondere an anspruchsvollen Ziehecken, sowie eine sorgfältig polierte Oberfläche liefern stets die höchste Investitionsrendite, da sie das Problem an seiner mechanischen Wurzel angehen. Erst wenn diese Grundlagen optimal umgesetzt sind, sollte man sich fortgeschrittenen Lösungen aus der Werkstoffwissenschaft zuwenden.

Die Auswahl unterschiedlicher Materialien, die Anwendung von Härtebehandlungen wie Nitrieren oder die Investition in fortschrittliche Beschichtungen wie DLC können die erforderliche Oberflächenintegrität für anspruchsvolle Anwendungen bereitstellen. Dies sind leistungsstarke Werkzeuge, die jedoch am effektivsten sind, wenn sie eine gut konstruierte Matrize verbessern, anstatt eine fehlerhafte auszugleichen. Schließlich ermöglichen disziplinierte Betriebspraktiken – einschließlich der korrekten Anwendung von Hochleistungsschmierstoffen und der Anpassung der Maschinendrehzahlen zur Wärmebegrenzung – die Echtzeitsteuerung, die notwendig ist, um Mikrofressen zu vermeiden. Durch die Integration dieser Strategien können Hersteller vom reaktiven Beheben von Ausfällen hin zu einer proaktiven Entwicklung eines stabilen und effizienten Stanzprozesses übergehen.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie reduzieren Sie Mikrofressen?

Die Verringerung von Galling erfordert einen mehrstufigen Ansatz. Beginnen Sie damit, einen korrekten Stanzstempel-zu-Matrize-Abstand sicherzustellen und die Matrizenoberflächen zu polieren, um die Reibung zu minimieren. Wählen Sie härtere oder unterschiedliche Werkzeugwerkstoffe und erwägen Sie fortschrittliche Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen wie TiCN oder DLC. Betrieblich gesehen sollte ein geeignetes Anti-Seize-Schmiermittel aufgetragen, die Hubzahl der Maschine reduziert werden, um die Wärmeentwicklung zu senken, und sichergestellt werden, dass sowohl die Matrize als auch das Werkstück sauber und frei von Verunreinigungen sind.

2. Verhindert Anti-Seize Galling?

Ja, Anti-Seize-Verbindungen sind sehr effektiv bei der Verhinderung von Galling. Sie wirken als Hochleistungsschmiermittel und bilden eine dauerhafte Barriere zwischen den gleitenden Metalloberflächen. Dieser Film widersteht hohen Druck- und Temperaturen und verhindert den direkten Metall-auf-Metall-Kontakt, der zu den mikroskopischen Schweißstellen und Materialübertragungen führt, die typisch für Galling sind.

3. Was ist die Ursache von Galling?

Die Hauptursache für Kaltverschweißung ist eine Kombination aus Reibung, hohem Kontakt-Druck und Adhäsion zwischen gleitenden Metalloberflächen. Auf mikroskopischer Ebene berühren sich die höchsten Stellen (Rauigkeiten) der Oberflächen, durchdringen schützende Oxidschichten und verschweißen miteinander. Während sich die Oberflächen weiter bewegen, wird diese Verbindung wieder getrennt, wodurch Material von einer Oberfläche auf die andere übertragen wird und sich zunehmender Schaden ergibt.

4. Wie kann man Kaltverschweißung an Gewindeschrauben aus Edelstahl verhindern?

Obwohl dieser Artikel sich auf Stanzwerkzeuge konzentriert, sind die Prinzipien zur Vermeidung von Gewindekaltverschweißung ähnlich. Die wirksamsten Maßnahmen bestehen darin, vor dem Zusammenbau ein Anti-Seize-Schmiermittel auf die Gewinde aufzutragen und die Anzuggeschwindigkeit zu verringern. Die Verwendung von Elektrowerkzeugen mit hohen Drehzahlen erzeugt erhebliche Wärme, was ein wesentlicher Faktor für Kaltverschweißung bei Edelstahlverbindungen ist. Die Nutzung von Handwerkzeugen oder Elektrowerkzeugen mit geregelter Geschwindigkeit reduziert das Risiko erheblich.