Lösungen gegen Werkzeugverschleiß: Wichtige Verschleißmechanismen bei Stanzwerkzeugen

Zusammenfassung

Verschleißmechanismen bei Stanzwerkzeugen werden hauptsächlich durch die intensive Reibung und den hohen Druck zwischen Werkzeug und Blech verursacht. Die beiden grundlegenden Arten sind verschleiß durch Schleifung , verursacht durch harte Partikel, die die Werkzeugoberfläche zerkratzen, und adhäsionsverschleiß (Galling) , der durch Materialübertragung und Mikroschweißungen zwischen den Oberflächen entsteht. Bei modernen beschichteten Stählen ist ein dominanter Mechanismus die Verdichtung harter Beschichtungsreste, die sich vom Blech lösen, sich am Werkzeug ansammeln und so den Verschleiß beschleunigen und die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen.

Die grundlegenden Mechanismen: Abrasiver vs. adhäsiver Verschleiß

Das Verständnis für die Langlebigkeit und Leistung von Stanzwerkzeugen beginnt mit der Erkennung der beiden primären Verschleißmechanismen, die an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück auftreten: abrasiver und adhäsiver Verschleiß. Obwohl sie oft gleichzeitig auftreten, werden sie durch unterschiedliche physikalische Prozesse verursacht. Der Verschleiß von Werkzeugen und Matrizen ist eine direkte Folge der Reibung, die während des Gleitkontakts zwischen dem Blech und der Werkzeugoberfläche entsteht, was zum Materialverlust oder zur Materialverschiebung führt.

Der abrasive Verschleiß ist die mechanische Zerstörung einer Oberfläche, die durch harte Partikel verursacht wird, die gegen sie gedrückt und entlang ihr bewegt werden. Diese Partikel können verschiedene Ursprünge haben, darunter harte Phasen innerhalb der Mikrostruktur des Blechmaterials, Oxide auf der Oberfläche oder, am bedeutendsten, gebrochene Bruchstücke von harten Beschichtungen wie der Al-Si-Schicht auf Presshärtungsstählen. Diese Partikel wirken wie Schneidwerkzeuge, die Rillen und Kratzer in das weichere Werkzeugmaterial eintauchen. Die Widerstandsfähigkeit eines Werkzeugstahls gegen abrasiven Verschleiß hängt eng mit seiner Härte und dem Volumenanteil harter Karbide in seiner Mikrostruktur zusammen.

Adhäsiver Verschleiß hingegen ist ein komplexeres Phänomen, das Materialübertrag zwischen den beiden in Kontakt stehenden Oberflächen beinhaltet. Unter dem enormen Druck und der Hitze, die beim Stanzen entstehen, können mikroskopische Unebenheiten (Spitzen) auf den Oberflächen von Werkzeug und Blech lokalisierte Mikroschweißungen bilden. Wenn sich die Oberflächen weiterhin gegeneinander verschieben, brechen diese Schweißstellen, wodurch kleine Bruchstücke von der schwächeren Oberfläche (häufig das Werkzeug) abgerissen und auf die andere übertragen werden. Dieser Prozess kann sich zu einer schweren Form entwickeln, bekannt als kaltverschweißung , bei der sich das übertragene Material auf dem Werkzeug ansammelt, was zu erheblichen Oberflächenschäden, erhöhter Reibung und schlechter Teilequalität führt.

Diese beiden Mechanismen sind oft miteinander verflochten. Die raue Oberfläche, die durch anfänglichen Adhäsionsverschleiß entsteht, kann mehr abrasive Partikel einfangen und so den abrasiven Verschleiß beschleunigen. Umgekehrt können Rillen durch abrasiven Verschleiß Keimstellen für die Ansammlung von Abrieb bilden und so Adhäsionsverschleiß einleiten. Eine effektive Steuerung der Werkzeuglebensdauer erfordert Strategien, die beide grundlegenden Ausfallarten berücksichtigen.

Um ihre Unterschiede klarzustellen, betrachten Sie den folgenden Vergleich:

Die entscheidende Rolle von Blechbeschichtungen und der Verdichtung von Abriebpartikeln

Während herkömmliche Modelle sich auf abrasive und adhesive Verschleißmechanismen konzentrieren, dominiert bei der Umformung moderner Materialien wie AlSi-beschichteter hochfester Stähle (AHSS) ein differenzierterer Mechanismus. Forschungsergebnisse, beispielsweise eine detaillierte Studie, die in MDPIs Schmierstoffe tagebuch veröffentlicht wurde, zeigen, dass der primäre Verschleißmechanismus häufig die verdichtung von losen Abriebpartikeln aus der Blechbeschichtung ist. Dies verändert das Verständnis von Verschleiß hin zu einem komplexeren tribologischen System, das einen dritten Körper – nämlich die Beschichtungspartikel selbst – einbezieht, statt einer einfachen Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Stahl.

Die auf Presshärtungsstähle aufgebrachte AlSi-Beschichtung soll bei hohen Temperaturen Zunderbildung und Entkohlung verhindern. Während des Aufheizvorgangs wandelt sich diese Beschichtung jedoch in harte und spröde intermetallische Phasen um. Mit Härtewerten zwischen 7 und 14 GPa sind diese intermetallischen Schichten deutlich härter als gehärteter Werkzeugstahl (typischerweise etwa 6–7 GPa). Während des Stanzprozesses bricht diese spröde Beschichtung aufgrund zweier Hauptursachen: intensiver Gleitreibung gegen den Werkzeugstempel und der starken plastischen Verformung des darunterliegenden Stahlsubstrats. Dieses Bruchverhalten erzeugt einen feinen, abrasiven „Staub“ aus harten Beschichtungspartikeln.

Dieser Abrieb sammelt sich an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück. Unter dem hohen Druck und der Temperatur des Umformprozesses werden diese losen Partikel in mikroskopische Unebenheiten der Matrizenoberfläche, wie beispielsweise Bearbeitungsrillen oder erste Abrationskerben, eingepresst. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen häuft sich dieser Abrieb an und verdichtet sich zu einer dichten, glasartigen Schicht, die mechanisch am Werkzeug verankert wird. Dieser Prozess ist besonders ausgeprägt in Bereichen mit hohem Druck, wie beispielsweise dem Ziehradius, wo sowohl Reibung als auch Materialverformung ihren Höhepunkt erreichen.

Die Morphologie dieses Verschleißes variiert je nach Stelle. An Biegeradien kann er sich als 'massiver Materialtransfer' zeigen und dicke, kompakte Schichten bilden, die die Geometrie des Werkzeugs verändern können. Auf flacheren Flächen mit geringerem Druck kann er als 'spärlicher Materialtransfer' erscheinen und matte Ränder oder Flecken erzeugen. Dieser Mechanismus bedeutet, dass Verschleiß oft eher ein mechanisches und topologisches Problem ist als ein rein chemisches. Die anfängliche Oberflächenbeschaffenheit des Werkzeugs ist entscheidend, da bereits geringfügige Unvollkommenheiten als Angriffspunkte dafür dienen können, dass sich Schmutz ansammelt. Daher ist die Verhinderung der *Initiierung* von Oberflächenschäden eine zentrale Strategie, um diese aggressive Form des Verschleißes zu reduzieren.

Wichtige Faktoren, die den Werkzeugverschleiß beschleunigen

Die Verschleißbeanspruchung der Werkzeuge ist ein vielschichtiges Problem, das durch eine Kombination mechanischer, materialbedingter und prozessbezogener Faktoren beschleunigt wird. Der Übergang zu hochfesteren Materialien wie AHSS hat die Auswirkungen dieser Variablen verstärkt und macht die Prozesskontrolle damit wichtiger denn je. Das Verständnis dieser Faktoren ist der erste Schritt zur Entwicklung wirksamer Gegenmaßnahmen.

Kontaktdruck und Materialeigenschaften sind vermutlich die bedeutendsten Einflussfaktoren. Die Umformung von AHSS erfordert deutlich höhere Kräfte als unlegierte Stähle, wodurch der Kontaktdruck auf dem Werkzeug proportional ansteigt. Zudem kann die Härte einiger AHSS-Werkstoffe an die Härte des Werkzeugstahls heranreichen, was ein nahezu gleichhartes Paarungssystem entstehen lässt und den abrasiven Verschleiß verstärkt. Die häufig zur Gewichtseinsparung eingesetzte geringere Blechdicke erhöht zudem die Neigung zum Knittern, was stärkere Haltekraft des Niederhalters erfordert, um Knitterbildung zu unterdrücken, und dadurch den lokalen Druck sowie den Verschleiß weiter erhöht.

Schmierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Trennung der Oberflächen von Werkzeug und Werkstück. Unzureichende oder ungeeignete Schmierung verhindert die Bildung eines Schutzfilms und führt zu direktem Metall-auf-Metall-Kontakt. Dies erhöht die Reibung erheblich, erzeugt übermäßige Wärme und ist eine Hauptursache für Adhäsionsverschleiß und Kaltverschweißung. Die hohen Drücke und Temperaturen beim Umformen von AHSS erfordern oft Hochleistungsschmierstoffe mit Zusätzen für extremen Druck (EP).

Werkzeugdesign und Oberflächenqualität sind ebenfalls entscheidend. Eine ungeeignete Stempel-Schneidring-Passung kann die Schneidkräfte und den Verschleiß erhöhen. Beispielsweise empfehlen die AHSS Guidelines , dass der empfohlene Spielraum für einen DP590-Stahl bei 15 % liegen könnte, verglichen mit 10 % für einen herkömmlichen HSLA-Stahl. Eine schlechte Oberflächenqualität des Werkzeugs weist mikroskopische Spitzen und Vertiefungen auf, die als Keimstellen für die Verdichtung von Partikeln und für Kaltverschweißung wirken. Es ist eine empfohlene Maßnahme, Werkzeuge vor und nach der Beschichtung auf ein sehr glattes Finish (z. B. Ra < 0,2 μm) zu polieren, um diese Verankerungspunkte zu reduzieren.

Die folgende Tabelle fasst diese Schlüsselfaktoren und ihre Wirkung zusammen:

Maßnahmen: Verbesserung der Standzeit von Matrizen

Die Verlängerung der Standzeit von Stanzwerkzeugen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der fortschrittliche Materialien, anspruchsvolle Oberflächenbehandlungen und optimierte Prozesssteuerungen kombiniert. Die alleinige Verwendung traditioneller Methoden ist oft unzureichend, wenn mit modernen hochfesten Stählen gearbeitet wird.

Eine primäre Strategie ist die Auswahl von Hochleistungs-Werkzeugstählen . Während konventionelle Werkzeugstähle wie D2 seit Jahrzehnten bewährte Arbeitstiere sind, stoßen sie bei AHSS häufig an ihre Grenzen. Stähle aus Pulvermetallurgie (PM) stellen eine deutliche Verbesserung dar. Aus atomisiertem Metallpulver hergestellt, weisen PM-Stähle eine wesentlich feinere und gleichmäßigere Mikrostruktur mit gleichmäßig verteilten Karbiden auf. Dies führt zu einer überlegenen Kombination aus Zähigkeit und Verschleißfestigkeit im Vergleich zu konventionell hergestellten Stählen. Eine Fallstudie, die hervorgehoben wurde durch AHSS-Insights die Übertragung von D2 auf einen härteren PM-Werkzeugstahl zur Bildung eines Steuerarms hat die Werkzeuglebensdauer von etwa 5.0007.000 Zyklen auf 40.00050.000 Zyklen erhöht. Um diese Leistungsfähigkeit zu erreichen, müssen oft Fachleute zusammengearbeitet werden. Zum Beispiel Unternehmen wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. die Kommission wird sich auf die Erstellung von kundenspezifischen Autostempelformformformformen konzentrieren und dabei auf fortschrittliche Materialien und Verfahren setzen, um die Werkzeuglebensdauer für OEMs und Tier-1-Zulieferer zu maximieren.

Oberflächenbearbeitungen und -beschichtungen eine weitere starke Verteidigungslinie. Ziel ist es, eine harte, reibungsarme Oberfläche zu schaffen, die sowohl abrasivem als auch klebendem Verschleiß standhält. Eine gängige Best Practice ist eine Duplexbehandlung: Erstens verhärtet ein Verfahren wie das Ionennitriding das Werkzeugstahlsubstrat, um eine starke Grundlage zu schaffen und zu verhindern, dass es sich unter der Beschichtung verformt. Anschließend wird eine PVD-Beschichtung aufgetragen. PVD-Beschichtungen wie Titannitrid (TiN), Titannitrid-Aluminium (TiAlN) oder Chromnitrid (CrN) schaffen eine extrem harte, schmierbare und verschleißbeständige Barriere. PVD wird oft der chemischen Dampfdeposition (CVD) vorgezogen, da es sich um einen Prozess mit niedrigerer Temperatur handelt, wodurch das Risiko vermieden wird, dass die wärmebehandelte Matrix verzerrt oder weich wird.

Und schließlich: Prozess- und Designoptimierung ist entscheidend. Dazu gehören die Sicherstellung der richtigen Schlag-zu-Die-Gleichungen, die Aufrechterhaltung einer hochpolierten Werkzeugoberfläche und die Umsetzung eines robusten Schmierplans. Eine praktische Checkliste für die Wartung und Einrichtung der Stäube sollte Folgendes umfassen:

• Regelmäßige Überprüfung der kritischen Radien und Kanten auf erste Anzeichen von Verschleiß oder Materialansammlungen.
• Überwachung von Verschleißmustern zur Feststellung möglicher Probleme bei der Ausrichtung oder Druckverteilung.
• Sicherstellung einer präzisen Ausrichtung der Druckmaschine und der Druckmaschine, um eine ungleichmäßige Belastung zu vermeiden.
• Beibehaltung des Schmiersystems, um eine gleichbleibende und angemessene Anwendung zu gewährleisten.
• Ich poleriere alle ersten Anzeichen von Verärgerungen aus, bevor sie wachsen und erhebliche Schäden verursachen.

Durch die Integration dieser fortschrittlichen Material-, Oberflächen- und Prozessstrategien können Hersteller die primären Verschleißmechanismen bei Stanzstempel effektiv bekämpfen und die Werkzeuglanglebigkeit, die Qualität der Teile und die gesamte Produktionseffizienz erheblich verbessern.

Häufig gestellte Fragen