Das Polieren von Stahl für den Werkzeug- und Formenbau

Die Politur von Stahl erfährt eine steigende Bedeutung im Werkzeug- und Formenbau. Dies betrifft sowohl Werkzeuge für die Automobilindustrie als auch für optische Abformtechnologien, wie das Präzisionsblankpressen von Glas- oder das Spritzgießen von Kunststoffoptiken. Als finaler Bearbeitungsschritt determiniert das Polieren die Qualität und die optischen Eigenschaften der Werkzeuge. Doch trotz seiner Bedeutung liegt diesem Fertigungsschritts eine geringe Systematik zugrunde mit der Konsequenz, dass er auch in Hochlohnländern überwiegend manuell durchgeführt wird und damit zeit- und kostenintensiv ist. Die Ursache liegt vor allem darin begründet, dass die Kenntnis der relevanten Wirkmechanismen sowie das Wissen vom Einfluss unterschiedlicher Stahlgefüge auf das Polierergebnis gering sind. Dies erschwert eine wirtschaftliche Endbearbeitung von Werkzeugformen und stellt darüber hinaus einen wesentlichen Hinderungsgrund für eine Automatisierung des Polierprozesses dar. Zur Erhöhung des Prozessverständnisses beim Polieren von Werkzeugstahl wird daher im Rahmen dieser Arbeit das Polierverhalten repräsentativer Kalt-, Warm- und Schnellarbeitsstählen betrachtet, jeweils in einer gehärteten und einer weichgeglühten Version. Das Abtragverhalten sowie die Ausprägung der Oberflächengüte der unterschiedlichen Stähle werden aufgezeigt und die relevanten Mechanismen diskutiert. Das Polieren wird dabei als ein tribologisches System betrachtet, in dem die Systempartner komplexen mechanischen und chemischen Interaktionen unterliegen. Ausgehend von dieser Vorstellung wird ein Modell vorgestellt, mit der die wahre Kontaktfläche zwischen dem Polierbelag und der Werkstückoberfläche abgeschätzt werden kann. Es zeigt sich, dass nur ein sehr geringer Prozentsatz des gesamten Polierbelags in Kontakt ist. Mit diesem Modell lässt sich die tribologische Beanspruchung des Werkstücks bestimmen, die sich auf die ersten 200 Nanometer der Oberfläche konzentriert. Weiterhin wird dargelegt, dass die entscheidenden Mechanismen zur Auslösung eines Materialabtrags abrasiver Natur sind. Chemische Interaktionen treten zwar auf, sind jedoch von untergeordneter Bedeutung. Diese Schlussfolgerungen werden im weiteren Verlauf der Arbeit experimentell verifiziert. Bei der Untersuchung des Abtragverhaltens zeigt sich ein gänzlich unterschiedliches Verhalten der betrachteten Stähle. Es wird dargelegt, dass die Höhe des Materialabtrags nicht von der zugrunde liegenden Materialhärte, sondern vielmehr vom Deformationsvermögen der Stähle sowie von deren Gefügestruktur abhängt. Die erzielbaren Abtragraten bei gehärteten Stählen sind höher als bei weichgeglühten. Basierend auf diesen Beobachtungen wird ein Modell entwickelt, das eine Verbindung zur Preston-Gleichung darstellt, wodurch eine Korrelation von Polier- zu Verschleißprozessen aufgezeigt wird. Basierend auf diesem Verschleißmodell wird dargelegt, dass die erzielbaren Abtragraten werkstoffseitig durch das Verhältnis des Mikrospanens zum Mikropflügen determiniert werden. Diese Mechanismen haben darüber hinaus einen Einfluss auf die Oberflächengüte: Zur Erzielung höchster Oberflächengüten ist prinzipiell ein hoher Anteil des Mikrospanens vorzuziehen, während das Mikropflügen zu einer lokal unruhigeren Oberfläche und damit zu geringeren Oberflächengüten führt.