DK_Einfluss von Werkzeugspannmitteln auf die Werkstückqualität bei Stanz- und Tiefziehprozessen

Einfluss von Werkzeugspannmitteln auf die Werkstückqualität bei Stanz- und Tiefziehprozessen (EFB 15/114; IGF 18602N)

 

Motivation

Mit der Art und Anzahl der verwendeten Spannmittel ändern sich gewisse Eigenschaften des Werkzeugs, wie beispielsweise die Steifigkeit und das Schwingverhalten. Aus wissenschaftlichen Untersuchungen ist bekannt, dass sich Werkzeugschwingungen auf den Stempelverschleiß auswirken. Dennoch gibt es weder vonseiten der Werkzeughersteller noch von Spannmittelanbietern technisch konkrete und eindeutige Anweisungen zur Gestaltung der Werkzeugspannsituation. Von wissenschaftlicher Seite ist das Thema der Auswirkungen der Werkzeugspannsituation auf den Umformprozess noch nicht untersucht und bietet gleichzeitig großes Potential zur Prozessoptimierung.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Werkzeugdurchbiegung (li.) und -schwingung
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Werkzeugdurchbiegung (li.) und -schwingung
 

Zielsetzung

Ziel dieses Forschungsprojektes war die Erfassung und Bewertung der Einflüsse von Werkzeugspannsystemen auf Prozessgrößen bei Tiefzieh- und Scherschneidprozessen. Die Analyse dieses Einflusses diente zum einen der systematischen Auswahl geeigneter Spannmittel. Zum anderen wurden die Möglichkeiten und Grenzen eines neuartigen, magnetischen Werkzeugspannsystems zur Beeinflussung des Werkzeugverhaltens und zur Optimierung der erreichbaren Prozessergebnisse aufgezeigt. Bezüglich konventioneller Spannmittel wurden Möglichkeiten zur Beeinflussung der Werkzeugeigenschaften aufgezeigt, um deren optimale Nutzung zu ermitteln.

Abbildung 2: Unterteilung der Spannmittel nach Art der Krafteinleitung
Abbildung 2: Unterteilung der Spannmittel nach Art der Krafteinleitung
 

Lösungsweg

Zum Erreichen der angestrebten Forschungsergebnisse wurden die Werkzeuggeometrie sowie die Werkzeugschwingwege und -beschleunigungen während des Umformprozesses messtechnisch erfasst. Durch die Variation der Werkzeugspannsituation und den Vergleich mit einem Referenzzustand konnten somit eindeutige Aussagen über die Auswirkungen der Spannsituation auf das Werkzeugverhalten getroffen werden. Begleitend zu der experimentellen Analyse erfolgte eine numerische Modellierung der Versuchswerkzeuge, um Werkzeugbereiche, die zur Anbringung von Messtechnik unzugänglich waren, untersuchen zu können.

Wesentliche Erkenntnisse

Es stellte sich heraus, dass eine steifere Werkzeugspannsituation zu geringeren Werkzeugschwingwegen führt. Eine hohe Steifigkeit wird bei der Verwendung konventioneller Spannsysteme, also bei Spannschrauben und Schnellspannern, durch eine Erhöhung der Spannpunktanzahl sowie durch eine Verkürzung des Hebelarms zwischen Prozesskraft und Spannpunkt, erreicht. Die Größe der Vorspannkraft hingegen hat, sofern die erforderliche Mindestklemmkraft nicht unterschritten wird, einen untergeordnete Einfluss. Die steifste Verbindung zwischen Werkzeug und Presse und damit der geringste Werkzeugschwingweg wurde durch den Einsatz von Magnetspannplatten erreicht.

Hinsichtlich des Verschleißes des Schneidstempels zeigte sich, dass sich bei der Verwendung konventioneller Spannmittel eher abrassiver Verschleiß ausbildet, während beim Einsatz der Magnetspannplatten ausschließlich adhäsiver Verschleiß zu beobachten war.

Messungen der Flussdichte belegten, dass bei Verwendung der Magnetspannplatten keine für den Menschen gesundheitlich bedenklichen Magnetfelder im Arbeitsraum der Presse auftreten. Die am Stanzschrott gemessenen Flussdichten waren zudem zu gering, um ein gegenseitiges Anhaften bzw. Verklumpen hervorzurufen. Bezüglich dieser beiden Aspekte ist die Verwendung von Magnetspannplatten daher geeignet.

Danksagung

Für die Unterstützung im Rahmen des Projektes dankt das PtU der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF), der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) und den nachstehenden Projektpartnern:

  • BMW AG (München)
  • GOM GmbH (Braunschweig)
  • Heitkamp & Thumann Group (Crimmitschau)
  • Hilma-Römheld GmbH (Hilchenbach)
  • Hubert Stüken GmbH & Co. KG (Rinteln)
  • Lenzkes Spanntechnik GmbH (Lüdenscheid)
  • Scheuermann und Heilig GmbH (Buchen)
  • Siebenwurst Werkzeugbau GmbH (Zwickau)
  • Systeme + Steuerungen GmbH (Grafenau)

Darüber hinaus gilt weiterer Dank der Firma Bruderer für die Bereitstellung der Schnellläuferpresse BSTA 810.