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EFB-Forschungsbericht Nr. 356

Entwicklung kalkulatorischer Kenngrößen zur Gestaltung von Scherschneidprozessen und Bewertung der Bauteilqualität bei Anwendung hoher Schneidgeschwindigkeiten

efb356

Verfasser:
PD Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Ing. Tom Barthel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Thomas Kopp UTG Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

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

ISBN: 978-3-86776-396-7

Preis (Digital) EUR 61,50

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Grundlage des Forschungsvorhabens war der geringe Kenntnisstand über technologische und werkzeugtechnische Grenzen beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS). Daher zielt dieses  Forschungsprojekt darauf ab, eine Berechnungsgrundlage der wichtigsten Prozessparameter, wie beispielsweise die zum Trennen notwendige kinetische Energie des Schneidstempels, für das HGSS zu schaffen. Weiterhin diente dieses Forschungsprojekt zur Definition von Auslegungskriterien von Werkzeugaktivelementen. Mit der Auswahl einer Reihe von konventionellen Scherschneid- sowie Hochgeschwindigkeitsscherschneidverfahren wurde eine einheitliche Basis für den Vergleich der unterschiedlichen Prozesse geschaffen.

Der Fokus lag stets auf dem Hochgeschwindigkeitsprozess. Konventionelle Scherschneidverfahren dienten als Referenz. Es werden Methoden aufgezeigt, inwieweit die einzelnen Prozessparameter (Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung sowie Prozesskräfte) beim HGSS messtechnisch reproduzierbar erfasst werden können. Die ermittelten Daten wurden hinsichtlich Schneidkraft und Schneidarbeit vergleichend ausgewertet.

Innerhalb der Projektlaufzeit konnten die wesentlichen Einflussparameter des HGSS-Prozesses auf die Qualität der Bauteile eingehend bestimmt werden. Mit Hilfe der aus Simulation und Experiment gewonnenen Erkenntnisse konnte eine Konstruktions- und Anwendungsrichtlinie erstellt werden. Mit dieser wird es künftig möglich sein, die erarbeiteten Maßnahmen zur Erreichung  optimaler Bauteilqualitäten in die Auslegung von Werkzeugen einfließen zu lassen.

Parallel zur optischen und taktilen Auswertung der Schnittflächenqualität wurden die Zusammenhänge zwischen Schneidgeschwindigkeit und Schneidenergie eingehend ausgewertet. Anhand eines praxisnahen Beispiels wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, mit der es möglich ist, den Schneidenergiebedarf beim HGSS im Vorfeld zu berechnen. Abschließend wird ein Vorschlag zur Erweiterung der aktuellen VDI-Richtlinie 2906 vorgestellt, um die Schnittflächen von HGSS-Bauteilen qualitativ bewerten zu können.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung kalkulatorischer Kenngrößen zur Gestaltung von Scherschneidprozessen und Bewertung der Bauteilqualität bei Anwendung hoher Schneidgeschwindigkeiten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16372BG 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. 356 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

In achieving high cutting qualities, the cutting velocity plays an important role. The high tool velocity can be generated by a hydraulic, pneumatic or electro-magnetic impulse. The kinetic energy of the  tooling will be nearly completely dissipate into cutting energy and is not getting lost in heat energy. High Speed Impact Cutting (HSIC) leads to so called “adiabatic sheer bands”, which causes an  immediate material shear failure. Positive effects of HSIC are:

  • nearly free of burrs and
  • right-angled cutting area
  • fine textured surface of fracture zone
  • limited deformation of parts
  • dry, oil free cutting process
  • saving of finishing processes

Aim of the research project was the detailed knowledge about technological boundaries of HSIC and determining of technological parameters and criterias for the evaluation of cutting-surface of the HSIC. Another topic of this joined research project was to provide a method for calculating the kinetic energy for the HSIC procedure. There are no terms to calculate the cutting energy for the HSIC in  advance available, like there are methods for the conventional cutting procedures.

Furthermore design criterias for tool active parts are provided within this project. With the help of reference processes, like shearing and fine blanking, an uniform basis to compare the different cutting procedures were made. The focus was on HSIC. Different measurement methods are shown how to measure the process parameters distance, velocity, acceleration and force. Next to the cutting quality, interrelations between cutting force, velocity, energy, die-clearance, sheet thickness, mechanical material and the struc-ture of material properties are analyzed.

Furthermore the evaluation of the cutting-quality by optical and tactile evaluation provides a basis to find equivalent criterias for evaluating  the cutting-quality achieved with high speed impact cutting. Based on a practical example a proceeding is shown with which it is possible to calculate the necessary energy in advance. Finally a roposal to extend the current VDI guideline 2906 is presented to evaluate the cutting surface quality of HSIC components.

Inhalt

Abstract
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Scherschneidverfahren
2.1.1 Einteilung von Schneidverfahren
2.1.2 Verfahrensprinzip des einhubigen Scherschneidens
2.1.3 Schnittflächenkenngrößen beim Scherschneiden
2.1.4 Berechnung von Schneidkraft und Schneidarbeit
2.2 Hochgeschwindigkeitsscherschneiden
2.2.1 Ausgangssituation und Handlungsbedarf
2.2.2 Begriffsdefinition und Verfahrensprinzip
2.3 Messtechnik in Schneidwerkzeugen
2.3.1 Piezoelektrische Kraft- und Beschleunigungsmessung
2.3.2 Wirbelstrom Wegmessung
3 Forschungsansatz bzw. Zielsetzung und Aufgabenstellung
4 Arbeitsprogramm
4.1 Schaffung der Basis für den Vergleich der Schneidverfahren
4.1.1 Versuchsanlagen und -werkzeuge
4.1.2 Versuchswerkstoffe
4.2 Kennwertermittlung und FE-Simulation
4.2.1 Kennwertermittlung
4.2.2 Simulation des Normalschneidens
4.2.3 Simulation des HGSS
4.3 Auswahl geeigneter Messsysteme zur Erfassung der Prozessparameter
4.4 Durchführung der experimentellen Untersuchungen
4.5 Schaffung einer Berechnungsgrundlage
4.6 Schnittflächenauswertung und Parameterneudefinition
5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick
6 Verzeichnisse
6.1 Abbildungsverzeichnis
6.2 Literaturverzeichnis
6.3 Kurzzeichenverzeichnis
6.4 Tabellenverzeichnis
Anlage A Mechanische Kennwerte der Versuchswerkstoffe aus dem Standardzugversuchen nach ISO 6892-1:2009
Anlage B Ergebnisse zu den Werkstoffverhalten im Hochgeschwindigkeitsbereich: Temperatur- und Dehnratenabhängige Fließkurven
Anlage C Auswertungen der Schnittflächenparameter in Abhängigkeit der Schneidgeschwindigkeit
Anlage D Auswertungen zur konfokalen Mikroskopie in Abhängigkeit der Schneidgeschwindigkeit