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EFB-Forschungsbericht Nr. 488

Reduzierung der Flitterbildung beim Beschneiden von Aluminiumblechen

efb488

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Michael Krinninger, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

114 Seiten (sw, 51 teils farbige Abb., 10 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-540-4

Preis (Digital) EUR 60,00

Preis (Print) EUR 68,00

Zusammenfassung

Im Zuge des Leichtbaugedankens kann aktuell eine zunehmende industrielle Verarbeitung von Blechen aus Aluminium und seinen Legierungen beobachtet werden. Durch den Einsatz dieses Werkstoffs können erhebliche Gewichtseinsparungen beispielsweise im Karosseriebau realisiert werden. Damit ist es möglich, begrenzt vorhandene natürliche Ressourcen, wie beispielsweise fossile Energieträger, einzusparen. In der Weißwaren- und Unterhaltungselektronik- und Elektroindustrie wird der Werkstoff Aluminium vermehrt aus Designgründen für sichtbare Oberflächen verwendet. Hier vermittelt der haptisch hochwertig anmutende Werkstoff eine gewisse Exklusivität. Die Elektronikbranche nutzt Aluminium als Leiterwerkstoff bei der Miniaturisierung von Elektronikkomponenten aber auch im Zuge der Elektromobilität als Substitutionsmaterial für relativ teure Kupferwerkstoffe.

Bei der industriellen Verarbeitung von Aluminiumblechen in der Massenherstellung mittels mechanischer Trennverfahren, wie beispielsweise dem konventionellen Scherschneiden, besteht häufig das Problem der sogenannten Flitterbildung. Als Flitter werden kleine Partikel bezeichnet, die sich beim Scherschneidprozess aus der Schneidzone des Blechs herauslösen bzw. die sich durch das Ablösen von kaltaufgeschweißten Anhaftungen von den Aktivelementen des Werkzeugs loslösen und sich aufgrund der geringen Werkstoffdichte und der meist großen Oberfläche unkontrolliert im Arbeitsraum der Verarbeitungsmaschine verteilen. Die negativen Folgen dieser Erscheinung reichen von Abdrücken und Einprägungen auf den Blechbauteilen, die zur Nacharbeit oder zum Ausschuss führen, bis hin zur Beschädigung der Werkzeugaktivelemente, der gesamten Werkzeuge oder der Verarbeitungsmaschine.

In diesem durch die Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (kurz EFB) geförderten Forschungsvorhaben wird ein neuartiger Ansatz verfolgt, um die Entstehung des Flitters beim Scherschneiden von Aluminiumblechen im vollkantig drückenden Schnitt mit offener Schnittlinie zu reduzieren. Dies beinhaltete die Ermittlung der optimalen Prozessparameter und eine geometrische Anpassung der Schneidkantengeometrie. Beide Maßnahmen sollen dazu genutzt werden, einen möglichst frühzeitigen Bruch zu initiieren. Dadurch können die Reibflächen zwischen dem Bauteil und dem Schneidaktivelement reduziert werden und die Prozesswärme in der Schneidzone gesenkt werden.

Das IGF-Vorhaben „Reduzierung der Flitterbildung beim Beschneiden von Aluminiumblechen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17543N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 488 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

As part of the lightweight construction concept, an increasing industrial processing of aluminum and its alloys is currently being observed. Through the use of this material, significant weight savings can be realized, for example in the car body constructions. This makes it possible to save limited natural resources such as fossil fuels. In the consumer electronics and electrical industries, the material aluminum is increasingly used for design reasons as well as for visible surfaces, which gives a certain exclusivity. The electronics industry uses aluminum as a conductor material in the miniaturization of electronic components as well as in the course of electro mobility as a substitute material for relatively expensive copper materials.

In the industrial processing of aluminum sheets in mass production by means of mechanical separation methods, such as conventional shearing, the problem of spangle can be observed. Baubles are small particles that dissolve in the shear cutting process from the cutting zone of the sheet. They detach themselves from the active elements of the tool by the detachment of cold-welded adhesions and distribute uncontrollably due to the low material density and usually large surface in the working space of the processing machine. The negative consequences of this phenomenon range from impressions on the sheet metal components, which lead to rework or rejects, to the damage of the tool active elements, the entire tools or the processing machine.

In this research project, funded by the European Research Society for Sheet Metal Pro-cessing e.V. (EFB), a novel approach is taken to reduce the formation of the burr during shear cutting of aluminum sheets in the fully edged, open-cut section. This included the determination of the optimum process parameters and a geometric adjustment of the cutting edge geometry. Measures should be used to initiate an early break. As a result, the friction surfaces between the component and the cutting active element can be reduced as well as the process heat in the cutting zone. In this way, the adhesive tendency of aluminum can thus be counteracted.

The investigation includes the systematic analysis of the typical process parameters typical shear cutting and the simulation-based optimization of the cutting edge geometry. This is done on the basis of a simulation model calibrated by experimental investigations. The results thus obtained are confirmed by long-stroke experiments which validate the effectiveness of the approach in the real process.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
2 Stand der Technik
2.1 Einsatz von Aluminium und -legierungen
2.2 Grundlagen des Scherschneidens
2.2.1 Verfahren Scherschneiden
2.2.2 Schnittflächenausprägungen beim Scherschneiden
2.2.3 Kräfte beim Scherschneiden
2.3 Verschleiß beim Scherschneiden
2.4 Flitterproblematik beim Scherschneiden
3 Motivation, Arbeitshypothese und Lösungsansatz
3.1 Motivation
3.2 Arbeitshypothese
3.3 Lösungsansatz
4 Versuchswerkstoffe
4.1 AA5754
4.2 AA6014
5 Versuchsanlagen, -werkzeuge und Messeinrichtungen und verwendete Software
5.1 Versuchspressen
5.2 Versuchswerkzeug
5.3 Messeinrichtungen
5.3.1 Universal-Zugdruck-Prüfmaschine
5.3.2 Profilmessgerät
5.3.3 Digitalmikroskop
5.3.4 3D-Koordinatenmessmaschine
5.4 Software
6 Versuchsdurchführung
7 Ergebnisse
7.1 Kalibrierung der Simulation
7.2 Simulationsgestützte Prozessparameteruntersuchung im Einzelhub
7.3 Simulationsgestützte Anpassung der Schneidengeometrie
7.4 Experimentelle Prozessparameteruntersuchung im Einzelhub
7.5 Bestätigung der optimalen Prozessparameter im Einzelhub
7.6 Experimentelle Bestätigung der angepassten Schneidengeometrie im Einzelhub
7.7 Bestätigung der Flitterreduktion im Dauerhub
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur
Normen
Bildquellen