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EFB-Forschungsbericht Nr. 503

Erweiterung der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel von hochfesten Blechwerkstoffen

efb503

Verfasser:
M. Sc. Adrian Schenek, Dipl.-Ing. Sergei Senn, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart

114 Seiten (sw, 68 teils farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: ISBN 978-3-86776-556-5

Preis (Digital) EUR 58,24

Preis (Print) EUR 73,60

Zusammenfassung

Der vorliegende Abschlussbericht beinhaltet simulative und experimentelle Untersuchungen zum Lochen mit Blechlagewinkel von hochfesten Blechwerkstoffen. Ziel dieser Untersuchungen war die Identifikation und Erweiterung der Prozessgrenzen des genannten Prozesses. Die Prozessgrenze ist beim Lochen mit Blechlagewinkel erreicht, wenn die durch die horizontal einwirkenden Querkräfte bedingte Auslenkung des Schneidstempels die Größe des Schneidspaltes übersteigt.

In diesem Fall kollidiert die Schneidkante des Stempels mit der Matrize, was zum sofortigen Ausfall des Schneidwerkzeuges führt. In umfangreichen Versuchen im Einzelhubbetrieb wurden die Schneidparameter „Schneidspalt", „Stempellänge" und „Blechlagewinkel" einem vollfaktoriellen Versuchsplan unterzogen und somit die Prozessgrenzen in Abhängigkeit von diesen Parametern experimentell bestimmt. Mit Blick auf den Leichtbau der Zukunft wurden im Rahmen der durchgeführten Versuche die Werkstoffe HC340LA, DP600 und DP1000 mit einer Blechdicke von 1mm untersucht, da diese Werkstoffe aufgrund ihrer relativ hohen Festigkeit den Einsatz von verhältnismäßig dünnen und damit leichteren Blechen in der Produktion erlauben.

In den im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Einzelhubversuchen wurden ISO8020 Normstempel unterschiedlicher Längen mit einem Stempeldurchmesser von 10 mm (Lochdurchmesser) und einem Schaftdurchmesser von 13 mm verwendet. Als Ergebnis dieser im Einzelhub durchgeführten Untersuchungen konnte eine schneidparameterabhängige Übersicht maximal möglicher Blechlagewinkel erstellt werden, welche nach bisherigem Stand der Technik zuvor nicht vorlag.

Diese Ergebnisse wurden des Weiteren einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und zudem um Ergebnisse, die mittels Stichversuchen mit kleineren Stempeldurchmessern (5mm) erhalten wurden, ergänzt. Mit Hilfe der Erkenntnis aus diesen beschriebenen Einzelhubversuchen wurden Konstruktionsrichtlinien für Werkzeuge zum Lochen mit Blechlagewinkel abgeleitet, welche abschließend mittels Dauerlaufversuchen überprüft wurden.

Zusammenfassend ging aus den in diesem Abschlussbericht beschriebenen Forschungsarbeiten hervor, dass die Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel bislang in der Praxis zu konservativ angenommen wurden. Demgegenüber zeigten die in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen, dass sogar der hochfeste Werkstoff DP1000 bei einem Stempeldurchmesser von 5 mm bis zu einem Blechlagewinkel von 17,5° prozesssicher gelocht werden kann.

In der heutigen Praxis wäre bei der Auslegung dieses Schneidprozesses bereits ab einem Blechlagewinkel von 5° bis 7,5° eine kostenintensive Schieberlösung im Werkzeug vorgesehen worden. Weitere Versuche, die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten wurden, zeigten darüber hinaus, dass die neu definierten Prozessgrenzen zusätzlich durch die Verwendung geeigneter, prozessspezifischer Stempelanschliffe erweitert werden können.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel von hochfesten Blechwerkstoffen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18946N 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. 503 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The present report contains simulative and experimental investigations on punching of high-strength sheet metal materials with a slant angle. The aim of these investigations was to identify and extend the process limits of this punching process. Here, the process limit is reached when the punch is deflected over the size of the cutting gap due to horizontal transverse forces. In this case, the cutting edge of the punch collides with the die, leading to immediate failure of the cutting tool.

In extensive tests in single stroke operation, the cutting parameters "cutting gap", "punch length" and "slant angle" were subjected to a full factorial test plan and thus the process limits were experimentally determined according to these parameters. Considering future lightweight constructions, the sheet materials HC340LA, DP600 and DP1000 with a thick-ness of 1mm were investigated during the tests conducted, since these high-strength materials allow the use of relatively thin sheets in production.

In the single stroke tests, standardized ISO8020 punches of different lengths with a punch diameter of 10 mm (hole diameter) and a shank diameter of 13 mm were used. As a result of the investigations carried out in single stroke, a cutting parameter-dependent overview of the identified process limits could be compiled, which was not yet available according to the current state of the art. The results of the single stroke tests were subjected to a sensitivity analysis and supplemented by stitch tests with smaller punch diameters (5 mm). On the basis of the results of these investigations, design guidelines for tools for punching with slant angles were derived, which were subsequently tested using endurance tests.

In summary, research work described in this reported has shown that in practice process limits for punching with slant angle have so far been assumed too conservatively. By con-trast, the conducted investigations showed that even the high-strength material DP1000 can be punched reliably with a punch diameter of 5 mm up to a slant angle of 17.5°. In today´s practice, cost-intensive slide solutions would have been provided when designing this cutting process from a slant angle of 5° to 7.5°. Additional tests carried out during this project also showed that the newly defined process limits for punching with slant angle can be further extended by the use of suitable, process-specific punch grindings.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Verfahrenseinordnung
2.2 Verfahrensbeschreibung beim Normalschneiden
2.3 Schneidkraft und Einflussgrößen
2.4 Grundlagen des Schneidens mit Blechlagewinkel
2.4.1 Schneiden mit Blechlagewinkel im offenen Schnitt
2.4.2 Schneiden mit Blechlagewinkel im geschlossenen Schnitt
2.5 Fazit zum Stand der Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Numerische Voruntersuchung zum Lochen mit Blechlagewinkel
4.1 Aufbau eines Simulationsmodells zum Lochen mit Blechlagewinkel
4.2 Definition der Zielgrößen und Auswahl der numerisch zu untersuchenden Einflussfaktoren
4.3 Ergebnisse der simulativen Parameterstudie
4.3.1 Auswertung der Schneidkraft und der Stempelauslenkung
4.3.2 Sensitivitätsanalyse zur Identifikation signifikanter Einflussparameter
4.3.3 Metamodell zur Abbildung des Prozessparameterverhaltens
5 Experimentelle Untersuchungen zur Identifikation der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel
5.1 Experimentelle Untersuchungen zum Lochen mit Blechlagewinkel im Einzelhub
5.1.1 Aufbau eines modularen Versuchswerkzeuges für Versuche im Einzelhub
5.1.2 Versuchsparameter im Einzelhub
5.1.3 Versuchsplan und Methode zur experimentellen Identifikation der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel
5.1.4 Identifikation der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel
5.1.5 Experimentelle Sensitivitätsanalyse und prozessrelevante Einflussfaktoren
5.1.6 Beurteilung der Schnittflächenqualität beim Lochen mit Blechlagewinkel
5.2 Experimentelle Untersuchungen zum Lochen mit Blechlagewinkel im Dauerhub
5.2.1 Konstruktive Anpassung des Versuchswerkeuges für Dauerhubversuche
5.2.2 Versuchsparameter im Dauerhub
5.2.3 Darstellung der Ergebnisse der Dauerhubversuche
6 Experimentelle Untersuchung zur Erweiterung der Prozessgrenzen beim Lochen mit Blechlagewinkel
6.1 Stichversuche mit einem Stempeldurchmesser von d=5mm
6.2 Stempelanschliffe beim Lochen mit Blechlagewinkel
7 Konstruktionsrichtlinien für die Auslegung von Werkzeugen zum Lochen mit Blechlagewinkel
8 Ergebnisse und Ausblick
8.1 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der Ergebnisse für KMU
9 Literaturverzeichnis
10 Anhang