Herausforderung
Das Schneiden ist in den meisten Industriezweigen ein wesentlicher Bestandteil der Produktion von Teilen und Komponenten. Nahezu jedes aus Blech gefertigte Teil durchläuft mehrere Schneidschritte. Vor allem das Scherschneiden ist aufgrund seiner hohen Effizienz im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Laser- oder Wasserstrahlschneiden in der industriellen Massenproduktion weit verbreitet. Die zunehmenden Anforderungen an das Schneiden von hochfesten Blechwerkstoffen (z. B. hochfester Stahl oder faserverstärkte Werkstoffe) bringen das Scherschneiden jedoch an seine Grenzen. Das Hauptproblem ist die unzureichende Standzeit der Werkzeuge. Mit zunehmender Härte und Druckfestigkeit der Werkzeugwerkstoffe sinkt die Bruchzähigkeit. Ein frühzeitiger Werkzeugbruch oder ein Ausbrechen der Schneidkanten sind der limitierende Faktor beim Schneiden hochfester Werkstoffe. Neue hocheffiziente Scherschneidverfahren wie das Hochgeschwindigkeits-Scherschneiden (HSIC) können in der Industrie aufgrund der Grenzen der üblichen Werkzeugwerkstoffe nicht eingesetzt werden. Es besteht ein großer Bedarf, das Problem des vorzeitigen Werkzeugversagens bei anspruchsvollen Schneidprozessen zu lösen.
Projektziele
Im CORNET-Projekt InFiBlank (14. Call) konnte die Standzeit von hochbelasteten Feinschneidwerkzeugen aus hochlegierten Werkzeugstählen durch eine Tieftemperaturbehandlung (DCT) der Werkzeugwerkstoffe bei Temperaturen von unter -150 °C mehr als verdoppelt werden. Insbesondere der Ausbruch der Schneidkanten wurde deutlich reduziert. Dieser Ansatz wurde im Projekt DCT4Cut mit angepassten Diffusionsbehandlungen und Beschichtungen kombiniert. Hauptziel waren eine signifikante Erhöhung der Werkzeugstandzeit beim Schneiden von hochfesten Werkstoffen (hochfeste Stähle, faserverstärkte Verbundwerkstoffe) und beim HSIC. Die Ziele im Einzelnen waren:
- Optimierung und Integration des DCT in den Fertigungsprozess der Werkzeuge
- Kombination des DCT mit Plasmanitrierbehandlungen und Beschichtungen
- Machbarkeitsnachweis am Beispiel des Schneidens hochfester Werkstoffe (Stahl, faserverstärkte Verbundwerkstoffe)
- Nachweis der Eignung für das HSIC zur Verhinderung von frühzeitigem Werkzeugbruch
- Validierung des Konzepts in verschiedenen industriellen Anwendungen
- Formulierung einer Behandlungsempfehlung für die Schneidwerkzeuge
Ergebnisse
Für die DCT-Behandlung wurden verschiedene Prozessrouten verglichen, die sich durch den Behandlungszeitpunkt (vor oder nach dem Anlassen) und die Kühlkurven (konstant oder zyklisch) unterscheiden. Änderungen der Materialeigenschaften konnten mit allen Prozessrouten erzielt werden. Je nach Werkstoff und Zeitpunkt der DCT-Behandlung konnten unterschiedliche Effekte festgestellt werden. Die positive Wirkung der DCT-Behandlung auf das Verschleißverhalten und die Standzeit von Schneidwerkzeugen konnte für das Schneiden von hochfestem Stahl und das HSIC in verschiedenen Anwendungen nachgewiesen werden. Der wirtschaftliche Nutzen für die einzelnen Schneidprozesse hängt von der Art der Werkzeugbelastung und den daraus resultierenden Verschleißmechanismen ab. Positive Effekte können vor allem erzielt werden, wenn Schneidenausbrüche aufgrund von Ermüdungseffekten und Rissbildung die Standzeit der Werkzeuge limitieren. Hier kann eine DCT-Behandlung die Standzeit signifikant erhöhen. Als weitere hochwirksame Maßnahme zur Reduzierung der Schneidkantenausbrüche und der Rissbildung in den Schneidwerkzeugen stellte sich das Plasmanitrieren der Werkzeuge heraus. Voraussetzung dafür ist der Einsatz von Nitrierparametern, die auf die Werkzeugwerkstoffe und die Belastungssituation der Werkzeuge abgestimmt sind. Diese wurden im Rahmen des Projektes ermittelt.