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EFB-Forschungsbericht Nr. 505

Verschleißkurven von Schneidstempeln durch gezieltes Ermüden

efb505

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, M. Sc. Tobias Hammer, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München

118 Seiten (sw, 104 teils farbige Abb., 13 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-558-9

Preis (Digital) EUR 67,00

Preis (Print) EUR 75,00

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war es, Kenntnisse über den Einfluss verschiedener Verschleißmechanismen auf den Verschleiß von Schneidstempeln zu generieren, um somit eine effiziente Bestimmung von Verschleißkurven zu ermöglichen. Dazu ist eine Identifikation der dominierenden Verschleißmechanismen in der jeweiligen Phase der Verschleißkurve notwendig.

Mit der Annahme, dass die Verschleißmechanismen Oberflächenzerrüttung und Abrasion in den unterschiedlichen Phasen der Verschleißkurve unterschiedlich stark dominieren, ist deren jeweiliger Einfluss auf den Verschleiß zu ermitteln. Die Hypothese ist, dass die Abrasion über den gesamten Verschleißverlauf den Verschleißbetrag nahezu linear steigert und die Oberflächenzerrüttung in den ersten Abschnitten wenig direkten Einfluss auf den Verschleißbetrag ausübt und erst im letzten Abschnitt zu wirken beginnt.

Dazu soll die beim Scherschneiden auf den Schneidstempel wirkende Belastung über einen Versuchsstand auf den selbigen aufgebracht werden, ohne abrasiven Verschleiß zu erzeugen. Dementsprechend wurden Konzepte ausgearbeitet, die eine schwellende Druckbelastung auf den Stempel und die dabei in den Stempel eingebrachten Spannungen abbilden. Zugbelastungen wurden bewusst nicht berücksichtigt, da der Einfluss aufgrund der geringen Größenordnung gegenüber der Schneidkraft als vernachlässigbar angenommen wurde und das zur Abbildung notwendige Konzept damit zu komplex geworden wäre.

Somit wurde ein Versuchsstand ausgelegt, konstruiert und gefertigt, mit dessen Hilfe diese Anforderungen robust umgesetzt werden konnten. Die Inbetriebnahme erlaubte nach iterativer Vorgehensweise zur idealen Parameterfindung die realitätsnahe Abbildung der Schneidkraft.

Bei der experimentellen Aufnahme von Verschleißkurven traten werkzeugbedingte und prozessbedingte Störungen auf. Während konstruktive Maßnahmen die werkzeugbedingten Herausforderungen reduzieren, aber nicht komplett abstellen konnten, wurden die prozessbedingten Störungen – unter anderem verursacht durch hochkommende Stanzbutzen – über die Überprüfung des Vorschubs durch eine Lichtschranke verhindert.

Eine weitere Herausforderung war die geringe Verschleißentwicklung, so dass lange Versuchsreihen mit viel Blechmaterial notwendig waren, um ausgeprägte Verschleißerscheinungen zu erreichen. Während beim grobkarbidigen Werkstoff 1.2379 nach mehreren 100.000 Schneidoperationen Verschleiß quantitativ feststellbar war, konnte beim pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff 1.3395 dieser nur tendenziell wahrgenommen werden.

Die Auswertung der Verschleißkurven konnte die Hypothese, dass der Verschleiß bei vorher ermüdeten Stempeln schneller voranschreitet, nicht unterstützen. Der Einfluss der Ermüdung zeigte in diesem Versuchssetup keine Begünstigung des Verschleißfortschritts. Dazu wurden verschiedene Erklärungsansätze vorgestellt. Ein wesentlicher Aspekt ist, dass das Ermüden in diesem Forschungsvorhaben bewusst auf der Abbildung von Druckkräften und der Vernachlässigung von Zugkräften basiert. Außerdem können die beim Schneidprozess stochastisch unvorhersehbar auftretenden lokalen Spannungsspitzen durch harte Partikel (Karbide im Stempelwerkstoff, Martensitinseln im Blech), Oberflächenrauigkeiten, etc. in einem idealisierten Versuchsstand nicht abgebildet werden.

Die Arbeitspakete dieses Forschungsprojekts wurden in allen Belangen umgesetzt. Der Versuchsstand wurde entwickelt, gefertigt und in Betrieb genommen. Die Methode zur realitätsnahen Abbildung der Schneidkraft auf den Stempel wurde erfolgreich umgesetzt. Der Versuchstand bietet außerdem Möglichkeiten Schneidwerkzeuge unter objektiven Bedingungen auf ihre Verschleißeigenschaften zu quantifizieren. Individuell erzeugte Verschleißkurven konnten ermittelt werden. Das eigentliche Ziel, über diese Verschleißkurven Kenntnisse über den Einfluss der Ermüdungsbelastungen auf die Verschleißentwicklung zu generieren, war jedoch mit den in diesem Forschungsvorhaben bewusst gesetzten Rahmenbedingungen nicht möglich.

Das IGF-Vorhaben „Verschleißkurven von Schneidstempeln durch gezieltes Ermüden" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18365N 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. 505 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The objective of the research project was to generate knowledge about the influence of different wear mechanisms on the wear of cutting tools in order to enable the efficient determination of wear development. For this purpose, the identification of the dominant wear mechanisms in the respective phase of the wear development is necessary.

With the assumption that the wear mechanisms fatigue and abrasion have various impact on the different phases of the wear development, their respective influence on the wear is to be determined. The hypothesis is that the abrasion increases the wear amount almost linearly over the entire course of wear and the fatigue wear has little direct influence on the amount of wear in the first sections and only begins to work in the last section.

For this purpose, a test rig has to be developed to apply the stress occurring on the cutting punch during shear cutting to the tool without generating abrasive wear. Therefore, concepts were devised which were intended to illustrate the swelling pressure load on the punch and the stresses introduced in the stamp. Tensile loads were consciously not taken into account, as the influence was considered negligible due to the small size compared to the cutting force and the necessary concept would have become too complex.

Thus, a test rig was designed, constructed and produced, by which these requirements could be implemented robustly. The commissioning enabled a realistic representation of the cutting force according to the iterative procedure for the ideal parameter determination.

During the experimental recording of wear curves, tool-related and process-related disturbances occurred. While design measures reduced the tool-related challenges, but could not completely eliminate them, the process-related interruptions – as caused by slug pulling - were prevented by checking the sheet feeder by a light barrier.

Another challenge was the low development of wear, so that long test runs with a large amount of sheet metal material were necessary in order to achieve pronounced wear phenomena. While in the material with the big carbides 1.2379 quantitatively determinable wear occurs after several 100,000 cutting operations, the powder metallurgically produced material 1.3395 shows only slight tendency to wear.

The evaluation of the wear curves did not support the hypothesis that wear on previously fatigued punches progressed faster. The influence of fatigue did not favor wear progress in this experimental setup. For this purpose, various explanatory approaches try to explain this conduct. An essential aspect is that the fatigue in this research project is deliberately based on the mapping of compressive forces and the neglect of tensile forces. In addition, the stochastically unpredictable local stress peaks occurring during the cutting process by hard particles (carbides in the punch material, martensite regions in the sheet metal), surface roughness, etc. cannot be imaged in an idealized test rig.

The work packages of this research project were implemented in all respects. The test rig was developed, manufactured and put into operation. The method for realistically mapping the cutting force to the punch has been successfully implemented. The test rig also offers opportunities to quantify cutting tools under objective conditions to determine their wear characteristics. Individually generated wear curves could be determined in fatigue and cutting experiments. However, the intended objective of generating knowledge about the influence of the fatigue load on the development of wear using these wear curves was not possible in the deliberately set conditions.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Scherschneiden
2.1.1 Einordnung des Fertigungsverfahrens nach DIN 8580
2.1.2 Begriffserklärungen und Verfahrensprinzip
2.1.3 Kräfte und Momente beim Scherschneiden
2.1.4 Schnittflächenkenngrößen
2.2 Verschleiß beim Scherschneiden
2.2.1 Verschleißformen
2.2.2 Verschleißmechanismen
2.2.3 Verschleißmessgrößen
3 Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziel
3.2 Vorgehensweise
4 Versuchs- und Auswerteeinrichtungen
4.1 Mechanische Schnellläuferpresse
4.2 Stanz-Biege-Automat
4.3 Taktiles Oberflächenmessgerät
4.4 Digitalmikroskop
5 Versuchswerkstoffe
5.1 Blechwerkstoff
5.2 Werkstoffe der Schneidaktivelemente
5.2.1 Stempelwerkstoffe
5.2.2 Matrizenwerkstoff
5.2.3 Druckplattenwerkstoff
6 Versuchswerkzeuge
6.1 Stempelgeometrie
6.2 Scherschneidwerkzeug zur Kraft-Weg-Aufzeichnung
6.3 Mehrspuriges Scherschneidwerkzeug für Dauerhübe
6.4 Versuchstand zur Einbringung der Ermüdungsbelastung
7 Charakterisierung der Belastungs-Zeit-Kurve
8 Ermüdungsversuchsstand
8.1 Konzeption zur Abbildung der Schneidkraft
8.2 Konzeption zur Abbildung der Spannungen
8.3 Konstruktion
8.4 Funktionsweise
8.5 Inbetriebnahme und Vorversuche
9 Versuchsplan
10 Referenzschneidversuche
10.1 Kaltarbeitsstahl 1.2379
10.1.1 Referenzstempel 1 (1.2379_11)
10.1.2 Referenzstempel 2 (1.2379_07)
10.1.3 Vergleich beider Referenzstempel
10.2 Schnellarbeitsstahl 1.3395
10.2.1 Referenzstempel 3 (1.3395_09)
10.2.2 Weitere Versuchsreihen
10.3 Schneidkraft-Weg-Verläufe neuer / verschlissener Stempel
11 Kombinierte Ermüdungs- und Schneidversuche
11.1 Kaltarbeitsstahl 1.2379
11.1.1 Kombinierte Versuchsreihen 1
11.1.2 Kombinierte Versuchsreihen 2
11.1.3 Vergleich der kombiniert belasteten Stempel mit Referenzstempel
11.2 Schnellarbeitsstahl 1.3395
12 Ergebnisse
12.1 Versuchsreihen mit dem Kaltarbeitsstahl 1.2379
12.2 Versuchsreihen mit dem Schnellarbeitsstahl 1.3395
12.3 Fazit
12.4 Ursachenforschung
13 Weitere Auswertemethoden
13.1 Gefügebilder der Versuchsstempel
13.2 Härtemessung mittels Nanoindentierung
13.3 Auftreten erster Ausbrüche
14 Grenzen und Potentiale des Versuchsstandes
15 Diskussion der Ergebnisse mit Erklärungsansätzen
16 Ausblick
16.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
17 Normenverzeichnis
18 Literaturverzeichnis