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EFB-Forschungsbericht Nr. 293

Einfluss von Verlagerungen in Schneidwerkzeugen auf die erreichbaren Standzeiten der Werkzeugaktivelemente

EFB293.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dipl.-Ing. Martin Hirsch, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München

80 Seiten (sw 42 teilweise farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-328-8

Preis (Digital) EUR 55,00

Preis (Print) EUR 62,00

Zusammenfassung

Um das Entwicklungsziel Leichtbau im Bereich von Fahrzeugkarosserien zu Verfolgen, finden vermehrt höchstfeste Stahlwerkstoffe Verwendung im Karosseriebau. Im Großserieneinsatz tritt dabei aber die Problematik von geringen Standzeiten auf. Eine Ursache hierfür sind totale Werkzeugbrüche schon nach wenigen Hüben. Erklären lässt sich dieses Phänomen mit einer Überlagerung von zusätzlichen Spannungen neben der reinen Druckbelastung aus dem Schneidvorgang. Hervorgerufen werden solche zusätzlichen Belastungen durch unzulässige Verlagerungen im Schneidwerkzeug.

Im Forschungsprojekt wurden diese Verlagerungen untersucht. Mit einem konstruktionstechnisch äußerst steif ausgelegten Versuchswerkzeug wurden die Belastungsfälle asymmetrische Lasteinleitung in den Stempel, asymmetrischer Schneidspalt und die Verlagerung des Stempelkopfes nachgestellt. In praktischen Versuchen wurden die Auswirkungen auf die Schneidstempel mit direkt aufgebrachten Dehnungsmessstreifen ermittelt. Die Belastungen wurden so für jeden Hub bis zum Versagen des Stempels aufgezeichnet. Die Experimente wurden mittels elastischer FEM-Simulation nachgebildet und die Ergebnisse abgeglichen.

Im Projektverlauf kamen unterschiedliche Blechwerkstoffe zum Einsatz. Als Stempelwerkstoffe wurde Kaltarbeitsstahl, PM-Stahl sowie Hartmetall untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Härte der Schneidstempel bei den einzelnen Belastungsfällen ermittelt. Aus den Erkenntnissen der Untersuchungen wurden Gestaltungsrichtlinien für die Auslegung von Werkzeugelementen bei Schneidwerkzeugen für höchstfeste Blechwerkstoffe abgeleitet. Das Forschungsziel, Ableitung von Gestaltungsrichtlinien für Schneidwerkzeuge zum Schneiden von hoch- und höchstfesten Stählen, wurde erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Einfluss von Verlagerungen in Schneidwerkzeugen auf die erreichbaren Standzeiten der Werkzeugaktivelemente“ wurde unter der Fördernummer AiF 14892N von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 293 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Schlagwörter

Schneidwerkzeug, höchstfeste Blechwerkstoffe, Werkzeugbruch, Werkzeugstahl, Kaltarbeitsstahl, PM-Stahl, Hartmetall

Abstract

To reach the goal of mass reduction of car bodies the use of higher strength steel materials in frame and body construction has increased. These steels cause problems of low tool endurance, when used in large-scale production. One example for tool failure can be a total punch brake after small amount of part production.

The reason for this effect can be found in critical stresses caused by displacements of the cutting tool, additional to the compressive force of the cutting process. These displacements have been analyzed in this research project. The load cases asymmetric load assignment to the punch head, asymmetric die clearance and punch head displacement have been performed in an experimental tool, which was developed extremely rigid to minimize influences of elasticity. The impact on the punch was determined by strain gauges which were attached directly to the cutting punch.

The load data was recorded for every single stroke until tool brake. FEM models of the experiments were created and the results were compared to the actual experimental data. Different sheet metal materials and several tool steel materials have been analyzed during the experiments. Hence the impact of cutting punch material and cutting punch hardness on the tool endurance could be determined. Recommendations for construction of cutting tools for higher strength steels could be developed due to the results of this research project.

Keywords

punching die, higher strength steel, punch brake, tool steel, cold work steel, powder metal-lurgical steel, cemented carbide

Inhalt

Verzeichnis der verwendeten Kurzzeichen
1 Einleitung
2 Grundlagen und Stand der Technik
2.1 Scherschneidverfahren
2.1.1 Einteilung von Schneidverfahren
2.1.2 Schneidkraftberechnung
2.2 Werkzeugkonstruktion
2.3 Werkstoffe
2.3.1 Blechwerkstoffe
2.3.2 Werkzeugwerkstoffe
3 Zielsetzung und Aufgabenstellung
4 Versuchs- und Messeinrichtung
4.1 Versuchseinrichtungen
4.1.1 Presse
4.1.2 Haspel und Richtapparat
4.2 Messeinrichtungen
4.2.1 Dehnungsmessstreifen (DMS)
4.2.2 Messverstärker
4.2.3 Universalprüfmaschine
5 Arbeitsplan
6 Versuchswerkzeug
6.1 Ausgangssituation
6.2 Werkzeugauslegung anhand von FE-Simulationen
6.2.1 Standardwerkzeug als Ausgangsmodell für die Simulation
6.2.2 Randbedingungen für die FE-Simulation
6.2.3 Auswahl eines Werkzeuggestells
6.3 Werkzeugkonzeption / Werkzeugkonstruktion
7 Versuchs- und Simulationsergebnisse
7.1 Messkonzept für Stempelbelastungen
7.2 Untersuchungen zu Lastfall A
7.2.1 FE-Simulation
7.2.2 Schneidversuche
7.3 Untersuchungen zu Lastfall B
7.3.1 FE-Simulation
7.3.1.1 2-dimensionale Simulation des Schneidprozesses
7.3.1.2 3-dimensionale Simulation der Belastungen der Schneidstempel
7.3.2 Schneidversuche
7.4 Untersuchungen zu Lastfall C
7.4.1 FE-Simulation
7.4.2 Schneidversuche
7.5 Praktische Versuche mit symmetrischer Stempellagerung
8 Konstruktionsrichtlinien
9 Zusammenfassung und Ausblick
9.1 Zusammenfassung
9.2 Ausblick
10 Verzeichnisse
10.1 Abbildungsverzeichnis
10.2 Tabellenverzeichnis
10.3 Literaturverzeichnis
11 Anhang
11.1 Zugprüfung Blechwerkstoff 1.4301 der Blechdicke (s = 2,5 mm)
11.2 Vereinfachte Zugprüfung zur Bestimmung der Zugfestigkeit Rm für den Blechwerkstoff 22MnB5 (s = 1,80 mm)
11.3 Berechnungen von Tellerfedern
11.4 Dehnungen bei Belastung mit 50 kN in der Universalprüfmaschine
11.5 Kurzzusammenfassung der Konstruktionsrichtlinien für Werkzeuge zum Schneiden hoch- und höchstfester Blechwerkstoffe
12 Farbabbildungen