Entwicklung einer Werkzeugeinheit zum Vor- und Nachschneiden in einem Hub
Verfasser:
M. Sc. Adrian Schenek, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Mathias Liewald, Institut für Umformtechnik, Universität Stuttgart
90 Seiten - 74,00 EUR (sw, 42 teils farbige Abb., 2 Tab.)
ISBN 978-3-86776-681-4
Zusammenfassung
Das Scherschneiden stellt das wirtschaftlichste und am weitesten verbreitete Schneidverfahren in der industriellen Großserienherstellung von Blechbauteilen dar. Weiterhin gilt das Scherschneiden als ein relativ robuster Fertigungsprozess, mit dem viele umformtechnisch hergestellte Bauteile in Produkten des Karosseriebaus, der Weißen Ware, der Konsumgüterindustrie etc. in ihre endgültige Form gebracht werden.
Die schergeschnittenen Konturen oder Ausschnitte können dabei als Befestigungspunkte, Lagerstellen, Führungen oder als Vorstufen für Flansche oder Durchzüge verwendet werden. Aufgrund des Schervorgangs kommt es während des Scherschneidprozesses stets zu einer merklichen Härtezunahme an der Schnittfläche, die eine Steigerung der Risssensitivität der Bauteilkonturen bzw. Ausschnitte zur Folge hat. Dies ist bei der Auslegung evtl. nachfolgender Umformvorgänge zu berücksichtigen, bei welchen Schnittkanten durch Zug belastet werden (z. B. das Kragenziehen).
Zu hohe Verfestigungen an der Schnittfläche bzw. der Schnittkante schergeschnittener Blechbauteile können hierbei zu einem Versagen durch Anreißen der Bauteilkante führen.
Verfahren, wie z. B. das kombinierte Konter-/Nachschneiden oder das konventionelle Nachschneiden, können die Kantenrissempfindlichkeit der gescherten Bauteilkante maßgeblich reduzieren und somit einem möglichen Bauteilversagen in nachfolgenden Umformvorgängen entgegenwirken.
Der Grund hierfür liegt in einem zweistufigen Scherschneidvorgang, wobei die nach der ersten Schneidstufe verfestigten Bereiche entlang des Schnittumrisses in der zweiten Stufe abgeschert werden. Die Scherkräfte werden in dieser zweiten Stufe konstruktiv möglichst niedrig ausgeführt, um eine erneute hohe Verfestigung zu vermeiden.
Nachteile dieser Schneidstrategien bestehen jedoch in Bezug auf den konstruktiven Aufwand beider Schneidoperationen im Schneidwerkzeug und die Problematik der hochgenauen Positionierung des Werkstücks in der zweiten Schneidstufe.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde in diesem Vorhaben eine Werkzeugeinheit zum Vor- und Nachschneiden für geschlossene Schnittlinien in nur einem Hub entwickelt, die konstruktiv wie ein einzelner Stempel eingesetzt werden kann. Das Funktionsprinzip dieser Einheit beruht auf dem klassischen Lochen in der ersten Stufe und dem Nachschneiden mit möglichst geringem Spanvolumen in der zweiten.
Zur Realisierung beider Schneidphasen in derselben Werkzeugstufe wurde eine bewegliche, mittels eines Federelements axial vorgespannte Nachschneidhülse im Werkzeug vorgesehen.
Ziel dieser Entwicklung bildete die signifikante Steigerung der Schnittflächenqualität im Sinne eines deutlich erhöhten Glattschnittanteils bei einer gleichzeitig reduzierten Kantenrissneigung der gelochten Blechbauteilkanten. Die Ausführungen des vorliegenden Berichtes zeigen, dass das hier entwickelte Verfahrensprinzip des einhubigen Nachschneidens eine solche Glattschnittsteigerung an gescherten Lochkanten erzielen kann.
Es wird jedoch auch deutlich, dass mit steigendem Glattschnittanteil auch eine (unerwünschte) Reduktion der Restumformbarkeit der gelochten Blechanten einhergeht.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Entwicklung einer Werkzeugeinheit zum Vor- und Nachschneiden in einem Hub" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21744N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 612 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Shear cutting is one of the most important manufacturing processes in the sheet metal industry. Almost every sheet metal component is cut or punched in the course of its production chain. A characteristic feature of shear-cut component edges is high work hardening of microstructure within the shear affected zone.
However, high work hardening has a negative effect on remaining formability of shear-cut sheet metal component edges. Undesired edge cracks therefore can occur in subsequent forming processes such as flanging or collar drawing of punched holes.
In industrial practice, edge crack sensitivity is often minimized by a two-stage rough punching and subsequent shaving process. Here, aim of the shaving process is to separate small work-hardened areas from the highly hardened pre-cut component edge.
However, shaving processes require a highly accurate positioning of the sheet metal component and a complex tool-design in the second tool stage. Major goal of this research project for that very reason embrace both numerical modelling as well as physical development of an appropriate tooling unit which enables pre-cut and following shaving process within same press stroke.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Erkenntnisse
2.1 Scherschneiden metallischer Blechwerkstoffe
2.1.1 Verfahrensablauf beim einstufigen Normalschneiden
2.1.2 Schnittflächenkenngrößen beim Normalschneiden
2.1.3 Kantenrisse an gescherten Blechbauteilrändern
2.1.4 Zweistufiges Nachschneiden
3 Motivation, Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Untersuchte Blechwerkstoffe
4.1 Mechanische Werkstoffkennwerte & Fließkurven
4.2 Numerische Abbildung des Bruchverhaltens
5 Numerische Prozessanalyse des einhubigen Nachschneidens
5.1 Grundlegender Aufbau des Simulationsmodells
5.2 Numerische Analyse der Schnittflächengeometrie
5.3 Numerische Analyse der Dehnungen in der Scherebene
5.4 Analyse der auftretenden Prozesskräfte
5.5 Analyse auftretender Werkzeugbelastungen
5.6 Zwischenfazit der numerischen Prozessanalyse
6 Experimentelle Prozessanalyse des einhubigen Nachschneidens
6.1 Werkzeugkonstruktion und -inbetriebnahme
6.2 Experimentelle Schnittflächenanalyse
6.3 Experimentelle Kantenrissstudie
6.4 Experimentelle Dauerlauferprobung
6.5 Fazit der experimentellen Prozessanalyse
7 Ergebnisse und Ausblick
7.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literaturverzeichnis
9 Anhang
