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EFB-Forschungsbericht Nr. 495

Ursache und Vorhersage von hochkommenden Stanzbutzen

efb495

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, M.Sc. Alexander Kindsmüller, Dipl.-Ing. Isabella Pätzold, M.Sc. Jens Stahl, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München

100 Seiten (sw, 71 teils farbige Abb., 6 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-547-3

Preis (Digital) EUR 50,29

Preis (Print) EUR 62,80

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war die quantitative Untersuchung der Mechanismen, die zum Phänomen der hochkommenden Stanzbutzen beitragen. Mit genauerer Kenntnis dieser Mechanismen kann die Auftretenswahrscheinlichkeit von hochkommenden Stanzbutzen schon vor der Konstruktion eines neuen Scherschneidwerkzeugs abgeschätzt und bewertet werden. Dies ermöglicht schon im Vorfeld die gezielte Auswahl von geeigneten Abhilfemaßnahmen. Derzeit erfolgen derartige Maßnahmen oftmals erst nach Eintritt eines Schadensfalls und sind aufgrund von mangelndem Prozessverständnis in der Regel erfahrungsbasiert. Um dieses Ziel zu erreichen wurden zunächst in Gesprächen mit Industriepartnern kritische Prozessparameter identifiziert, bei welchen ein vermehrtes Auftreten von hochkommenden Stanzbutzen zu verzeichnen ist. Mit diesen Informationen und Ergebnissen aus simulativen FEM-Parameterstudien erfolgte anschließend die Konstruktion eines Versuchswerkzeuges zur Messung aller Teilkräfte, die nach der Werkstofftrennung auf den Stanzbutzen wirken.

Diese konnten in zwei Gruppen unterteilt werden. Während die Unterdruckkraft, Gratum-klammerungskraft und Adhäsionskraft hochkommende Stanzbutzen begünstigen, wirken die Reibkraft zwischen Butzen und Matrize sowie die Gewichtskraft dem Hochkommen des Butzens entgegen.

Mittels verschiedener Werkzeugkonfigurationen konnten alle Teilkräfte einzeln und unab-hängig voneinander gemessen werden. Hierzu waren im Werkzeug verschiedene Sensoren integriert. Diese dienten zur Erfassung der Stempelkraft, des Unterdrucks zwischen Stempelstirnfläche und Butzen sowie des Stempelweges.

In einer weiteren Werkzeugkonfiguration konnte der Butzen nach dem Schneidvorgang mittels eines Linearaktors und eines Abdrückstiftes von der Stempelstirnfläche abgedrückt werden. Die hierbei auftretende Abdrückkraft wurde von einem piezoelektrischen Kleinkraftsensor gemessen.

Im Rahmen von Einzelhubversuchen wurde anhand verschiedener Blechwerkstoffe und Blechdicken der Einfluss der Prozessparameter Schneidspalt, Schneidgeschwindigkeit, Stempeldurchmesser, Schneidkantenverrundung, Stempeleintauchtiefe, Matrizenrauheit und Beölungszustand auf jede Teilkraft untersucht. Anschließend wurden die Teilkräfte in Kräftebilanzen hinsichtlich ihres Beitrags zum Hochkommen von Stanzbutzen aufgeschlüsselt. Die wesentliche Kraft zur Vermeidung hochkommender Stanzbutzen ist demnach die Reibkraft zwischen Butzen und Matrize.

Diese kann unter Umständen Größen von einigen hundert Newton aufweisen, bei ungünstig gewählten Prozessparametern jedoch auch auf null abfallen. Die Unterdruckkraft beim Stempelrückhub ist die dominierende Kraft, die hochkommende Stanzbutzen verursachen kann. Die Werte der Unterdruckkraft sind dabei im einstelligen Newton-Bereich anzusiedeln. Adhäsionskräfte und Gratumklammerungskräfte haben nur einen begrenzten Einfluss auf das Hochkommen von Stanzbutzen, da sie jeweils in Kraftbereichen unter einem Newton zu finden sind.

Die Bedeutung der Gewichtskraft des Butzens ist vernachlässigbar. Wenn jedoch keine Reibkraft vorhanden ist, kommen auch die vergleichsweise kleinen Kräfte der Adhäsion und Gratumklammerung zum Tragen und können hochkommende Stanzbutzen hervorrufen.

Eine Abschätzung der Höhe der Reibkraft bei bereits bestehenden Schneidwerkzeugen ist mit Hilfe des Kennwertes des Butzenübermaßes möglich. Dieses berechnet sich aus der Differenz zwischen dem Außendurchmesser des Butzens in aufgefedertem Zustand und dem Innendurchmesser der Matrize. Bei positivem Butzenübermaß wurde in allen Fällen eine ausreichend hohe Reibkraft festgestellt, um hochkommende Stanzbutzen effektiv zu verhindern.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Ursache und Vorhersage von hochkommenden Stanzbutzen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18440N 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. 495 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The objective of this research project was the quantitative investigation of mechanisms which cause slug pulling. With a closer knowledge of these mechanisms, the probability of slug pulling can be estimated before the design of a new shear cutting tool. This enables to choose adequate remedies before producing shear cut parts and not after a tool or part damage caused by pulled slugs. At present, remedies are chosen based on experience due to a lack of process understanding.

To reach this objective, critical process parameters which are likely to cause slug pulling were identified by dialogs with industrial partners. This information together with the results of a Finite-Element parameter study was used for the design and construction of an experimental shear cutting tool, which allows to measure all relevant forces which acts on the slug after material separation. These forces can be divided in two subgroups, which either lead to or prevent slug pulling. The first group consists of the vacuum force, the contact force between burr and punch, and the adhesion force caused by a lubricant.

The group of forces preventing slug pulling includes the frictional force between slug and die, and the slug's weight. All of these forces were measured independently by different tool configurations and sensors integrated in the tool. These sensors were used to measure the punch force, the vacuum on the punch's face, and the punch travel. In a second tool configuration, the slug can be removed from the punch's face by a linear actuator. The force which is necessary for the removal was measured by an additional force sensor.

By carrying out single stroke experiments the influence of the sheet metal material and thickness, the die clearance, the punch velocity, the punch diameter, the cutting edge radi-us, the depth of the punch penetration, the die roughness, and the lubricant on each of the above mentioned forces was investigated. Afterwards, the forces were compared to identify their part in the pulling of a slug. Here, the frictional force between slug and die could be identified as the most important force for the prevention of slug pulling.

This force can be as big as several hundred newton but can also drop to zero if the unfavorable process parameters are chosen. The vacuum force caused by the back stroke of the punch is the dominating force which causes slug pulling. This force is usually lower than ten newton. The adhesion force and the contact force between burr and punch have play only a minor role in slug pulling, because they are usually lower than one newton. The slug's weight is negligible compared to the other forces. If there is no frictional force, the comparably low adhesion force and the contact force between burr and punch can cause slug pulling as well.

An estimation of the frictional force between slug and die can be carried out for already existing shear cutting tool by measuring the outer diameter of a produced slug and inner diameter of the die and comparing them. If the slug is bigger than the die, the frictional force was in all cases high enough to effectively prevent slug pulling.
The research objective was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Scherschneiden
2.1.1 Verfahrenseinteilung
2.1.2 Begriffsklärung und Verfahrensprinzip
2.1.3 Kräfte und Momente beim Scherschneiden
2.1.4 Schnittflächenqualität und -kenngrößen
2.2 Hochkommende Stanzbutzen
2.2.1 Auftreten und Folgen
2.2.2 Ursachen
2.2.3 Abhilfemaßnahmen
3 Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziel
3.2 Vorgehensweise
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Mechanische Schnellläuferpresse
4.2 Stanz-Biege-Automat
4.3 Taktiles Oberflächenmessgerät
5 Werk- und Schmierstoffe
5.1 Werkstoffe
5.2 Schmierstoffe
6 Finite-Elemente Simulationen
6.1 Modellaufbau
6.2 Ergebnisse der Simulationen
7 Versuchswerkzeug
7.1 Konzeption und Konstruktion
7.2 Messtechnikintegration und Kalibrierung
8 Versuchsplan
9 Reibkraft
9.1 Vorgehensweise zur Reibkraftbestimmung
9.2 Einfluss des Schneidspalts
9.3 Einfluss des Schmierstoffs
9.4 Einfluss der Schneidkantenverrundung
9.5 Einfluss des Stempeldurchmessers
9.6 Einfluss der Blechdicke
9.7 Einfluss der Matrizenrauheit
9.8 Vergleich der Reibkraft für verschiedene Blechwerkstoffe
9.9 Reibkraft und Butzenübermaß
10 Unterdruck
10.1 Verlauf des Unterdrucks über den Stempelweg
10.2 Einfluss des Schneidspaltes
10.3 Einfluss der Stempeleintauchtiefe
10.4 Einfluss der Schneidgeschwindigkeit
10.5 Einfluss des Stempeldurchmessers
10.6 Einfluss des Blechwerkstoffs und des Schmierstoffs
10.7 Einfluss des Schneidkantenradius
10.8 Einfluss der Blechdicke
11 Gratumklammerung
11.1 Einfluss des Schneidspaltes
11.2 Einfluss des Schneidkantenradius
11.3 Einfluss der Blechdicke
11.4 Einfluss des Stempeldurchmessers
11.5 Einfluss des Blechwerkstoffs
11.6 Einfluss der Schneidgeschwindigkeit
12 Schmierstoffadhäsion
12.1 Einfluss des Schneidspalts
12.2 Einfluss des Schmierstoffs
12.3 Einfluss der Blechdicke
12.4 Einfluss des Schneidkantenradius
12.5 Einfluss des Stempeldurchmessers
13 Gewichtskraft
14 Bewertung der Neigung zum Hochkommen von Stanzbutzen
14.1 Vergleich und Einordnung der Teilkräfte
14.2 Einfluss der Schneidparameter und Teilkräfte auf hochkommende Stanzbutzen
14.3 Maßnahmen zur Vermeidung von hochkommenden Stanzbutzen
15 Ergebnisse und Ausblick
16 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
16.1 Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von KMU
16.2 Industrielle Umsetzung der Forschungsergebnisse
17 Literaturverzeichnis
18 Normenverzeichnis