Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vermeidung hochkommender Stanzbutzen durch Beeinflussung der Butzenreibung

Hochkommende Stanzbutzen stellen eine der am häufigsten auftretenden Prozessstörungen beim Scherschneiden dar. Folgen können Ausfallzeiten sowie Bauteil- und Werkzeugdefekte sein. Damit einhergehende Kosten senken die Wirtschaftlichkeit des Prozesses und damit die Wettbewerbsfähigkeit der häufig auf diesem Gebiet tätigen KMUs. Im Rahmen eines am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der TU München durchgeführten Vorgängerprojektes wurde gezeigt, dass eine ausreichend große Reibkraft zwischen Butzen und Matrize der entscheidende Faktor zur Vermeidung dieser Prozessstörung ist.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die Reibkraft gezielt durch einfache Modifikationen an der Stempelstirnfläche und an der Matrize zu erhöhen und quantitativ zu bestimmen. Die Höhe der Reibkraft, die zur Vermeidung hochkommender Stanzbutzen benötigt wird, kann anhand der Erkenntnisse aus dem Vorgängerprojekt (AiF-Nr. 18440 N) zuverlässig abgeschätzt werden. Neben der experimentellen Bewertung von verschiedenen Stempelstirnflächen- und Matrizengeometrien aus der Literatur sollen geeignete Geometrien mit Hilfe der FEM so optimiert werden, dass die notwendige Reibkraft erreicht wird. Hierzu müssen auch die Zusammenhänge zwischen den Schneidparametern und dem Butzenübermaß sowie der daraus resultierenden Reibkraft ermittelt werden. Das Ergebnis des Optimierungsprozesses soll anschließend in Einzelhub- und Dauerhubversuchen validiert werden. Die Erstellung von Konstruktionsrichtlinien, Kennfeldern und Maßnahmenkatalogen rundet das Forschungsvorhaben ab.

Eine erfolgreiche Umsetzung der Projektergebnisse trägt dazu bei, Scherschneidprozesse robuster zu gestalten, Produktionskosten und Durchlaufzeiten zu senken, die Teilequalität zu erhöhen und kostenintensive Prozessstörungen durch hochkommende Stanzbutzen zu verhindern. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Scherschneidens und hat somit eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit der auf diesem Gebiet tätigen KMUs zur Folge.

Ergebniszusammenfassung:

Die Untersuchungen haben ergeben, dass für verschiedene Werkstoffe unterschiedliche Prozessparameter die Reibkraft beeinflussen. So ist beispielsweise der Einfluss der Blechdicke bei der Verarbeitung von EN AW 6014 sehr gering, DC04 reagiert hingegen sensibel auf eine Veränderung. Auch zeigen die Werkstoffe bei Veränderung des Stempeldurchmessers uneinheitliches Verhalten. So korreliert bei kleinen Durchmessern die Reibkraft mit der Werkstofffestigkeit, bei großen Durchmessern gilt dies nur noch bei EN AW 6014 und DC04, bei 1.4301 nicht mehr. Dies zeigt, warum das Auftreten von hochkommenden Butzen schwer vorhersagbar ist und Abhilfemaßnahmen bisher schwierig zu finden sind.

In den experimentellen Versuchen wurde auch der Einfluss von Schmierstoffen untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass ein Schmierstoffeinsatz die Prozesskräfte generell herabsetzt, was auch für die Reibkraft zwischen Butzen und Matrize gilt, der Effekt aber eher als gering einzuschätzen ist.

Den größten Einfluss auf die Reibkräfte hat die Aktivelementegeometrie, insbesondere die Matrizengeometrie, genauer der Matrizenwinkel. Als entscheidender Faktor zur Beeinflussung der Reibkraft wurde hier die Komprimierung des Butzens ermittelt. Fällt diese zu klein aus, ist auch das Butzenübermaß klein und die Reibkräfte gering. Fällt die Komprimierung zu groß aus, treten zwei Effekte zu Tage, die die Reibkraft bis auf null herabsetzen können. Zum einen entsteht eine sehr hohe Butzendurchbiegung, die letztendlich zum Ausknicken des Butzens nach unten führt. Zum anderen können die radialen Kräfte so groß werden, dass an Geometrieübergängen in der Matrize, also beispielsweise wenn der Butzen aus einem konischen Bereich austritt, eine plastische Verformung auftritt, der Butzen im weiteren Verlauf nicht mehr an der Matrize anliegt und ein Hochkommen sehr wahrscheinlich wird. Die Geometrie der Stempelstirnfläche zeigt im Vergleich zur Matrize einen geringen und dabei sogar eher schädlichen Einfluss.