Leichtmetallwerkstoffe in schnell laufenden Stanzwerkzeugen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dipl.-Ing. Martin Hirsch, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen Technische Universität München
86 Seiten - 65,00 EUR (sw, 51 teils farbige Abb., 11 Tab.)
ISBN 978-3-86776-372-1
Zusammenfassung
Von Stanzteilen für die Elektronikindustrie wie z. B. Kontakten, Leadframes oder Steckverbindungen werden in der Regel mehrere Millionen Stück benötigt. Aus diesem Grund werden solche Teile mit Hubfrequenzen bis zu 2000 Hüben pro Minute aus Stahl- bzw. Kupferblechen oder -folien auf Hochleistungs-Schnellläuferpressen gefertigt. Aufgrund der hohen Hubgeschwindigkeiten kommt es bei jedem Hub zu Impulsanregungen des Werkzeugs beim Auftreffen des Niederhalters auf den Blechwerkstoff sowie zur Anregung einer Schwingung aufgrund des Schnittschlages zum Zeitpunkt des Durchbrechens des Blechwerkstoffes. In Zusammenhang mit der Stößelbewegung entsteht eine periodisch wiederkehrende Schwingung im Stanzwerkzeug. Während horizontale Bewegungen zu schädlichen Fehlstellungen zwischen Stempel und Matrize führen, erhöht sich durch vertikale Schwingungen der Verschleiß der Stempel, insbesondere im Mantelflächenbereich.
Ziel des Projekts war es, diese Schwingungen durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen als Plattenwerkstoff im Kraftfluss der Schneidwerkzeuge zu minimieren. In einem Versuchswerkzeug wurden Grund- und Kopfplatte in den Werkstoffen Stahl, Aluminium und Magnesium ausgeführt. Mit einer Niederhalterplatte mit Stempelführung und Mittenbundsäulen konnten so verschiedene Werkzeugvarianten eingesetzt werden. Zur Bestimmung des Einflusses dieser Werkstoffe mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen und Werkstoffdichten auf das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten wurden Kraft-, Körperschall- und Beschleunigungssensoren im Werkzeug verbaut. Die Schwingungssituation im Werkzeug konnte so durch Auswertung der Messergebnisse sowie der in den Praxisversuchen ermittelten Verschleißparameter untersucht werden. Begleitend wurde das dynamische System hinsichtlich der relevanten Eigenfrequenzen und Eigenformen in der Simulation betrachtet. Durch den Einsatz der Leichtmetalllegierungen als Plattenwerkstoff konnten geringere Schwingungsamplituden des Kraftsignals nach dem Schnittschlag sowie geringerer Verschleiß der Werkzeugaktivelemente als positive Effekte nachgewiesen werden.
Das Forschungsziel, Untersuchung des Einflusses von Leichtmetallen als Plattenwerkstoff in schnell laufenden Stanzwerkzeugen, wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Leichtmetallwerkstoffe in schnelllaufenden Stanzwerkzeugen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15878N 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. 335 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Abstract
Several punched parts for the electronic industry, such as leadframes, contact pins or plugs are often produced with frequencies up to 2000 parts per minute in high-speed stamping tools. Because of high gating velocities in the blanking tool there is a recurring acceleration at the moment, when the blank holder contacts the sheet metal and when the sheet cracks. This is also known as the impact shock during the blanking process. Through these impulses and through the cycle of the plunger movement a periodic oscillation arises in the tool. Horizontal vibrations can lead to an undefined position between punches and dieplate, while vertical movement leads to increased wear because of friction forces between the blanked surface and the lateral area of the punches.
Goal of the project was to minimize these oscillations in cutting tools by the usage of the lightweight materials aluminium and magnesium instead of steel as plates in the flux of forces. With a high effort in design and construction of such a high-speed ex-perimental tool for cutting-out circular blanks with diameters of 0.60 mm and a sheet-thickness of 0.29 mm in nine lines with three different punch materials, the effect of lightweight materials on the oscillation behaviour of the tool could be investigated. With integrated sensors for force, acceleration and distances the oscillation-effects during the blanking process could be recorded. During the tests, typical measure-ment results show several impacts, which lead to oscillations with two dominant fre-quencies. With a structural analysis of the relevant parts in the tool, these frequen-cies could be assigned to a tilting and a tension eigenmode. Further tests were also done up to frequencies of 1000 strokes per minute. By using lightweight materials as tool plates, a reduction of the amplitudes of the force signal oscillation at the point, when the sheet cracks could be shown and a lowering of wear of the punches could be demonstrated in practical tests.
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der verwendeten Kurzzeichen
1Einleitung
2Grundlagen und Stand der Technik
2.1Scherschneidverfahren
2.1.1Einteilung von Schneidverfahren
2.1.2Schneidkraftberechnung
2.1.3Kräfte und Momente beim Scherschneiden
2.2Werkzeugkonstruktion
2.3Werkzeugverschleiß beim Schneiden
2.4Messtechnik in Schneid- und Stanzwerkzeugen
2.4.1Piezoelektrische Kraft- und Beschleunigungsmessung
2.4.2Wirbelstrom Wegmessung
2.4.3Dehnungsmessstreifen (DMS) in Kraftsensoren
2.5Schwingungen
2.5.1Schwingungsanregung
2.5.2Freie, gedämpfte Schwingungen
3Forschungsansatz bzw. Zielsetzung und Aufgabenstellung
4Versuchsbeschreibung
4.1Schnellläuferpresse
4.2Bandvorschub
4.3Haspel und Richtapparat
4.4Butzenabsaugung
4.5Profilmesseinrichtung
4.6Universalprüfmaschine
4.7Versuchswerkzeug
4.7.1Konstruktive Auslegung
4.7.2Eingesetzte Messtechnik
5Eingesetzte Werkstoffe
5.1Blechwerkstoff
5.2Plattenwerkstoffe
5.3Stempelwerkstoffe
6Ergebnisse
6.1Vorversuche zum Schwingungsverhalten von Leichtmetallwerkstoffen
6.1.1Schwingungen an Metallquadern
6.1.2Schwingungen an Blechstreifen
6.1.3Schwingungen der Werkzeugplatten
6.1.3.1Impulsanregungen durch Presse
6.1.3.2Impulsanregung durch Hammer
6.2Pressenverhalten
6.2.1Eintauchtiefenveränderung
6.2.2Eigenfrequenz des Pressenstößels
6.2.3Betrachtungen zum Nachlaufwinkel
6.3Messergebnisse bei Schneidversuchen
6.3.1Messungen bei konstanter Werkzeuggeschwindigkeit
6.3.2Messungen bei Betrieb in einer Presse mit Exzenterkinematik
6.3.2.1Phasen des Schneidvorganges
6.3.2.2Auswertung der Kraft-Weg-Verläufe
6.3.2.3Untersuchungen der Schnittschlagamplituden
6.3.2.4Einfluss der Pressenhubfrequenz
6.4Eigenfrequenzen und Eigenformen des Versuchswerkzeuges
6.5Verschleißverhalten der Schneidstempel
7Zusammenfassung
8Ausblick
9Verzeichnisse
9.1Abbildungsverzeichnis
9.2Tabellenverzeichnis
