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EFB-Forschungsbericht Nr. 375

Optimierung von Stempelanbindungen in Schneidwerkzeugen

efb375

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. (FH) Josef Mair, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

140 Seiten (sw, 97 teils farbige Abb., 13 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-418-6

Preis (Digital) EUR 53,38

Preis (Print) EUR 66,73

Zusammenfassung

Durch den verstärkten Wettbewerbsdruck auf dem internationalen Markt ist auf die anwendungsgerechte Dimensionierung der Werkzeuge zunehmend Augenmerk zu legen. Aufgrund des derzeitigen Wissensstands in der Industrie kommt es bei der Konstruktion von Werkzeugen zur Verarbeitung hochfester Werkstoffe oder Edelstählen zu Über- und Unterdimensionierung der Stempelanbindungen. Eine Überdimensionierung der Stempelanbindung führt zu unnötigen Werkzeugkosten, eine Unterdimensionierung kann in Folge eines Werkzeugbruches noch größere Folgekosten nach sich ziehen.

Derzeit erfolgt die Auswahl einer Stempelanbindung überwiegend nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten und den daraus resultierenden Kosten und Eigenschaften Eine konkrete Aussage über deren Eignung für die Anwendungsfälle hochfester Blechwerkstoff oder Edelstahlblech ist nach objektiven Kriterien derzeit nicht möglich.

Ziel des Projektes war zum einen ein Benchmark derzeitiger Stempelanbindungen, welche für hohe axiale Zugkräfte geeignet sind. Dabei wurden qualitative und quantitative Ansprüche an die Stempelanbindung hinsichtlich frühzeitigen Werkzeugversagens durch Stempelbruch herausgearbeitet. In Zug- und Druckversuchen wurden die Festigkeiten und Steifigkeiten geschraubter, verstifteter, geklebter und gelöteter Stempelköpfe gemessen. Massive Stempel mit zylindrischem Stempelkopf wurden als Referenz untersucht.

In Schwingungsversuchen wurden die dynamischen Kennwerte ermittelt. In Schneidversuchen wurden Edelstahl 1.4301 als duktiler Blechwerkstoff mit hohen Rückzugskräften und pressgehärteter Stahl 22MnB5 als Vertreter höchstfester, spröderer Werkstoffe mit einer hohen Schnittschlagbelastung geschnitten. Als Hauptversagensursache stellt sich dabei die hohe dynamische Belastung durch den Schnittschlag heraus. Gefügte Anbindungen konnten diese Belastungen reduzieren und erzielten höhere Standzeiten als die massiven Stempel. Aufbauend zielte dieses Forschungsvorhaben ab, die Stempelanbindungen Löten und Kleben, welche derzeit nur für geringe axiale Zugkräfte geeignet sind, zu optimieren.

Besonders bei der Herstellung von Formstempeln bieten gelötete und geklebte Anbindungen zusätzliches Einsparpotential als kostengünstige Alternativen, da Stempelschaft und  -kopf kostengünstig mittels Drahterosion gefertigt werden können. Hierzu wurden Fügespalte und Fügewerkstoffe an einer vereinfachten Probengeometrie variiert und Wechsellastversuche durchgeführt. In Schneidversuchen wurden die optimierten Geometrien geprüft. Dabei konnte durch Steigerung der Dämpfung und Zugfestigkeit eine Verbesserung der Betriebsfestigkeit erzielt werden.

Mit den erarbeiteten Erkenntnissen kann die dynamische Beständigkeit von Stempelanbindungen beim Lochen von Blechwerkstoffen beurteilt werden. Die Standzeit geklebter und gelöteter Anbindungen wurde erhöht.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Optimierung von Stempelanbindungen in Schneidwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16605N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 375 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Caused by the increasing competitive constraints in the international market, the dimensioning of punching tools for the case of application is getting more and more important. Caused by the current knowledge in industry, there is an over- or underdimensioning in the construction of punch connections in tools for cutting high strength sheet metal or stainless steel. An overdimensioning of punch connections determines unnecessary costs while an underdimensioning can affect more expenditure brought by a fracture of the cutting tool.

Currently punch connections are chosen according to manufacturing aspects and the resulting costs and property. A  definite predication according to objective criteria whether they are suitable for cutting high strength or stainless steel is not possible at the moment.

One aim of the project is a benchmark of punch connections, which are typically used for high axial tensile forces. For this, qualitative and quantitative requirements on the punch connections regarding too premature tool failure were identified. The strength and stiffness of screwed, dowelled, bonded and brazed punch heads were measured in tensile and compression tests. Solid punches with cylindrical punch heads acted as reference.

Dynamic specific values were determined in oscillation experiments. Stainless steel, as a ductile sheet metal with high pull-out forces, and presshardened steel, as a high-strength and brittle material with a high cutting impact, were cut in cutting experiments. Here, the main cause for fracture of punch connections was the high dynamic load caused by the cutting impact. Jointed punch heads decrease this strain and can reach a higher lifespan than solid punch heads. Based on this, bonded and brazed punch heads, which are currently used for low tensile forces only, should be optimized. Especially when manufacturing punches featuring a complex cutting peripheral form, brazed and bonded punch heads provide potential for saving money, because both shank and head can be produced by electro-erosive wire cutting.

For this, both the joining gap and the joining material were varied on simplified punch-geometries, which were tested in alternating load tests. The optimized geometry was examined in cutting tests. Thus, an improvement of the endurance strength could be reached by an increase of the damping and tensile strength. The acquired knowledge allows estimating the dynamic resistance of punch connections in sheet metal punching processes, as well as an elevation of the endurance of bonded and brazed punches.

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Kurzzeichen
Zusammenfassung
Abstract
1    Einleitung
2    Stand der Kenntnisse
2.1    Scherschneiden
2.1.1    Schneidkraft
2.1.2    Rückzugskraft
2.1.3    Schnittschlag
2.2    Schneidwerkzeug
2.2.1    Werkzeugaufbau
2.2.2    Werkzeugwerkstoffe
2.3    Schneidstempel
2.3.1    Befestigung mit Kopf
2.3.2    Befestigung ohne Kopf
2.4    Fügetechnik
2.4.1    Fügeverfahren
2.4.2    Schlussarten und Fügeverbindungen
2.4.3    Kleben
2.4.4    Löten
2.5    Schwingung
2.5.1    Beschreibung eines Einmasseschwingers
2.5.2    Schwingungsanregung
2.5.3    Resonanz und Dämpfung
2.5.4    Schwingfestigkeit
3    Forschungsziel
3.1    Ziele
3.2    Angestrebte Ergebnisse
4    Vorgehen zum Erreichen des Forschungsziels
4.1    Lösungsweg
4.2    Eingesetzte Werkstoffe
4.2.1    Blechwerkstoffe
4.2.2    Stempelwerkstoffe
4.2.3    Klebstoffe
4.2.4    Lote
4.3    Versuchsstempel
4.3.1    Stempelgeometrie
4.3.2    Massiv
4.3.3    Geschraubt
4.3.4    Formschlüssig
4.3.5    Geklebt
4.3.6    Gelötet
4.4    Versuchsplan
4.4.1    Grundlagen
4.4.2    Optimierung
4.5    Schneidversuche
4.5.1    Versuchspresse
4.5.2    Versuchswerkzeug
4.5.3    Prozessdatenerfassung und -überwachung.
4.5.4    Messung der dynamischen Stempelbelastung
4.5.5    Versuchsdurchführung
4.6    Wechsellastversuche
4.6.1    Versuchspresse
4.6.2    Versuchswerkzeug
4.6.3    Prozessdatenerfassung und -überwachung
4.6.4    Versuchsdurchführung
4.7    Statische Kennwerte
4.7.1    Universalprüfmaschine
4.7.2    Prüfaufbau
4.7.3    Messdatenerfassung
4.7.4    Versuchsdurchführung
4.8    Dynamische Kennwerte
4.8.1    Prüfaufbau
4.8.2    Messdatenerfassung
4.8.3    Versuchsdurchführung
4.9    Simulation
5    Ergebnisse
5.1    Grundlagenversuche
5.1.1    Vergleich der Stempelanbindungen
5.1.2    Versagensursachen der Stempelanbindung
5.1.3    Statisch Kennwerte
5.1.4    Dynamisch Kennwerte
5.1.5    Dynamische Belastungen beim Lochen
5.2    Gestaltungsrichtlinien für Stempelanbindungen
5.2.1    Zugfestigkeit der Anbindung
5.2.2    Allgemeines Vorgehen bei der Anbindungsauslegung
5.3    Optimierung der Stempelanbindung
5.3.1    Gelötete Schneidstempel
5.3.2    Geklebte Schneidstempel
5.3.3    Verifikation
5.4    Simulation der Schnittschlagbelastung
6    Ergebnisse und Ausblick
6.1    Ergebnisse
6.2    Ausblick
7    Bedeutung des Forschungsthemas für KMU
7.1    Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
7.2    Aussagen zur industriellen Umsetzung der Ergebnisse
8    Literaturverzeichnis
9    Abbildungsverzeichnis
10    Anhang
10.1    Zugprüfungen für Blechwerkstoff 1.4301, s = 2,5 mm
10.2    Vereinfachte Zugprüfung für Blechwerkstoff 22MnB5, s = 1,8 mm
10.3    Zugversuche Substanzproben Hysol 9514, Fraunhofer IFAM, Bremen
10.4    Scherversuche Zugscherproben Stahl/Hysol9514/Stahl, Fraunhofer IFAM
10.5    Zugversuche Substanzproben Scotch Weld DP 490, Fraunhofer IFAM