Herstellung von Stanz-, Biege- und Tiefziehteilen

II

Inhalt

  Abbildungs- und Tabellenverzeic hnis  III

1.  Einleitung  1

1.1.  Die Blechverarbeitung im Allgemeinen  1

1.2.  Grundlagen der Blechverarbeitung  1

2.  Schneidverfahren / Trennen von Werkstoffen  2

2.1.  Scherschneiden  2

2.1.1.  Der offene Schnitt  4

2.1.2.  Der geschlossene Schnitt  4

2.2.  Keilschneiden  4

2.3.  Spalten, Reißen, Brechen  4

3.  Biegeumformverfahren  5

3.1.  Grundlagen des Biegens  5

3.2.  Biegen mit gradliniger Werkzeugbewegung  7

3.3.  Biege n mit drehender Werkzeugbewegung  9

4.  Zugdruckumformverfahren am Beispiel Tiefziehen  12

5.  Hilfsmittel  15

5.1.  Schmiermittel  15

5.2.  Beschichtunge n  17

6.  Praktische Umsetzung  19

6.1.  Allgemeiner Aufbau von Schneidwerkzeugen  19

6.2.  Allgemeiner Aufbau von Biegewerkzeugen  20

6.3.  Das Gesamtschneidverfahren  21

6.3.1.  Werkzeuge  21

6.3.2.  Geeignete Maschinen bzw. Pressen  22

6.4.  Der Folgeschnitt  23

6.4.1.  Das Folgeschneidwerkzeug  23

6.4.2.  Geeignete Maschinen bzw. Pressen  24

6.5.  Das Folgeverbundverfahren  25

6.5.1.  Das Folgeverbundwerkzeug  25

6.5.2.  Geeignete Maschinen bzw. Pressen  26

6.6.  Das Transferverfahren  27

6.6.1.  Das Transferwerkzeug  28

6.6.2.  Geeignete Maschinen bzw. Pressen  28

7.  Zusammenfassung und Ausblick  28

  Literaturverzeichnis  30

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Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abb. 1: Phasen des Schneidvorganges S. 3 Abb. 2: Rückfederung beim Biegen

Abb. 3: Freies Biegen unter Querkraft - Verfahren 1 Abb. 4: Freies Biegen unter Querkraft - Verfahren 2 S. 7 Abb. 5: Querkraftfreies Biegen S. 8 Abb. 6: Freies Runden S. 8 Abb. 7: Biegen im V-Gesenk S. 9 Abb. 8: Walzenanordung bei Dreiwalzenrundmaschinen S. 10 Abb. 9: Profilieren in mehreren Stufen S. 11 Abb. 10: Rollen S. 11 Abb. 11: Falten S. 12 Abb. 12: Sicken S. 12 Abb. 13: Dopplungen S. 12 Abb. 14: Einfachwirkendes Werkzeug mit Zieheinrichtung S. 14 Abb. 15: Stribeckkurve S. 16

Abb. 16: Kalottenschliff durch ein Mehrschichtsystem für Umformwerkzeuge S. 17 Abb. 17: Bestanteile eines Stanzwerkzeugs S. 19

Abb. 18: Aufbau eines Biegewerkzeugs S. 21 Abb. 19: ABS Sensorring S. 21

Abb. 20: Gesamtschneidewerkzeug S. 22 Abb. 21: Gesamtverbundwerkzeug S. 22

Abb. 22: Aufbau des Folgeschneidwerkzeugs S. 23

Abb. 23: Funktionsprinzip Excenterpresse S. 24

Abb. 24: Funktionsprinzip Kniehebelpresse S. 25 Abb. 25: Hub S. 26 Abb. 26: Stanz- Biegeautomat S. 27

Abb. 27: Beispiel für ein Tiefziehteil S. 28

Tab. 1: Übersicht Hartstoffschichten S. 18

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1. Einleitung

Im Verlauf der Industrialisierung in den letzten Jahrzehnten hat die Blechverarbeitung eine gewaltige Veränderung erfahren. War der Werkstoff Blech im Mittelalter, erzeugt und verarbeitet von Schmieden, ein eher grobes Arbeitsmittel, ist es heute als Präzisionswerkstoff nicht mehr wegzudenken. Von der Automobilindustrie mit relativ großen Blechteilen bis hin zur Feinstanztechnik hat das Blech in fast allen Bereichen unseres heutigen Lebens seinen Platz gefunden.

1.1. Die Blechverarbeitung im Allgemeinen

Unter Blechverarbeitung versteht man alle Arten der Weiterverarbeitung von gewalztem Metall. Gängige Metalle sind Stahl, Eisen, Kupfer, Aluminium, Messing und sogar Platin oder Gold. Unwichtig ist dabei, ob das Blech in Form einer Platte weiterverarbeitet wird oder vom Coil (Rolle mit aufgewickeltem Blech) kommt, wie es häufig in der Massenproduktion der Fall ist.

Um einen kleinen Einblick in die Vielfalt der Blechverarbeitung zu vermitteln, sollen hier einige Anwendungsbeispiele angeführt werden:

Tiefziehen : Tee- Eier, Fingerhüte, Schüsseln Biegen : PC Gehäuse, Briefkästen Stanzen (schneiden) : Schlüssel, Lochblech

Selbstverständlich sind Mischformen in der Blechverarbeitung die verbreitetste Art. Denkt man an das Beispiel des Teeeis, wird deutlich, dass hier gestanzt und tiefgezogen wird. Ebenso zeigt sich dies in der Automobilindustrie, wo allein bei der Karosserieherstellung geschnitten, gestanzt, tiefgezogen, umgeformt und geschweißt wird. Auch in der Elektro-, Elektronik-, Haushaltswaren- und selbst in der Lebensmittelindustrie wird Blech in immensen Mengen verarbeitet.

Aufgrund der Vielschichtigkeit und Komplexität der Blechverarbeitung kann im Folgenden nur auf wenige Bereich detaillierter eingegangen werden. Dem Anspruch auf Vollständigkeit kann eine solche Abhandlung nicht gerecht werden.

1.2. Grundlagen der Blechverarbeitung

Der Prozess zur Herstellung eines Blechteils, durchläuft generell die folgenden Schritte:

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1. Trennen des Blechs auf die optimale Ausgangsgröße (Blechtafel/Spaltband etc.)

2. Beschneiden auf die gewünschte Kontur in einem oder mehr Schritten

3. Ggf. Umformen (Biegen, Tiefziehen etc.)

4. Ggf. Fügen von mehreren Teilen (Schweißen, Nieten, Verpressen etc.)

2. Schneidverfahren / Trennen von Werkstoffen

„Neben den reinen Umformverfahren sind in der Blechverarbeitung die Verfahren des Trennens von besonderer Bedeutung, da die Fertigung eines Blechteils fast immer mit Trennvo rgängen verbunden ist“. 1

Die Fertigungsverfahren sind nach DIN 8580 in verschiedene Gruppen unterteilt. Neben Urformen, Umformen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern gehört die Gruppe Zerteilen zu den Fertigungsverfahren. Das Zerteilen ist in der DIN 8588 näher spezifiziert und in die folgenden Untergruppen gegliedert:

• Scherschneiden

• Keil- bzw. Messerschneiden

• Beißschneiden

• Spalten

• Reißen

• Brechen.

Die wichtigste Anwendung stellt hierbei das Scherschneiden dar, während die anderen Methoden eine eher untergeordnete Rolle spielen. Daher stellen wir im Folgenden den Prozess Scherschneiden ausführlicher dar, während die anderen Verfahren nur kurz beschrieben werden.

2.1. Scherschneiden

Das Scherschneiden - in der Praxis oft kurz als Schneiden bezeichnet - ist ein Prozess zur Werkstofftrennung. Typische Einsatzgebiete liegen in der Automobilindustrie (z.B. Karosseriebleche, Sitzkomponenten, Hebel, Beschläge), Elektroindustrie (z.B. Stator- und Rotorbleche, Transformatorenkerne), Feinmechanik (z.B. Teile für Film- und Fotoapparate, Nähmaschinen, Uhrwerke) oder in der Haushaltgeräteindustrie (z.B. Waschmaschinen,

¹ König 1995, S. 169

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Bestecke, Geschirr, Spülen). Das Schneiden wird häufig mit anderen Umformverfahren kombiniert, so dass von sog. Folgeverbundprozessen gesprochen wird. ² Kennzeichnend für das Schneiden ist, dass die Trennung durch Schubspannung bewirkt wird. Das Werkstück befindet sich zwischen zwei Werkzeugschneiden (Scherschneid- und Rollschneidmesser), die sich parallel aneinander vorbeibewegen. Das Oberteil des Werkzeugs (Stempel) tritt dabei soweit in das Werkzeugunterteil (Matrize) ein, dass dabei das Blech durchtrennt wird. Dieser Vorgang wird in fünf Phasen eingeteilt.

In Phase 1 der Stempelbewegung erfolgt das Aufsetzen des Stempels, während in der sich anschließenden 2. Phase eine elastische und plastische Verformung des Bleches eintritt. In der Folge kommt es in Phase 3 zur Scherung und einer Rissbildung im Blech, die - ausgehend von den Kanten der Schneidmatrize - in Phase 4 zum Durchbrechen des Bleches führt. Der Prozess ist durch das Abstreifen in Phase 5 abgeschlossen.

Je nach Lage der Schnittflächen zur Werkstückbegrenzung ergeben sich die folgenden Schneidverfahren:

• Ausschneiden

• Lochen

• Abschneiden

• Ausklinken

• Einschneiden

• Beschneiden Nachschneiden. ³ •

² Vgl. König 1995, S. 169f.

³ Vgl. Czichos 2000, L 22

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Die Schneidverfahren werden grundsätzlich in Prozesse mit offenem und geschlossenem Schnitt unterteilt. Schneidet die Schnittlinie die Ränder des Bleches, so handelt es sich um einen offenen Schnitt. Liegt die gesamte Schnittlinie innerhalb des Blechstreifens und schne idet nicht den Blechrand, so wird von einem geschlossenen Schnitt gesprochen.

2.1.1. Der offene Schnitt

„Der offene Schnitt wird hauptsächlich zum Zuschneiden von Streifen aus Blechtafeln angewendet - er ist ähnlich dem Schneiden mit einer Schere“. ⁴ Schneidverfahren mit offenem Schnitt sind Abschneiden, Ausklinken, Einschneiden, Nach- und teilweise auch Beschneiden.

2.1.2. Der geschlossene Schnitt

Ausschneiden und Lochen, sowie zum Teil auch Beschneiden sind Verfahren mit einem geschlossenen Schnitt. Wird im Verfahren eine Außenform hergestellt, spricht man von Ausschneiden, wird eine Innenform erstellt, spricht man von Lochen. Beim Lochen entspricht die Stempelgeometrie dem Loch im Werkstück.

2.2. Keilschneiden

Das Keilschneiden stellt ein Verfahren zum Zerteilen von Werkstücken mit einer oder zwei keilförmigen Schneiden dar. Dabei wird der Werkstoff entlang einer offenen oder geschlossenen Schnittlinie auseinander gedrängt. Bewegen sich zwei keilförmige Schneiden aufeinander zu, wird von Beißschneiden gesprochen. Wird hingegen nur mit einer einzelnen Schneide gearbeitet, die gegen eine Auflage (z.B. eine ebene Platte aus Holz, Vulkanfiber, Kunstharz, Hartwachs oder aber eine geschliffene Stahlplatte) wirkt, wird dieser Vorgang als Messerschneiden bezeichnet. Bei diesem Prozess dringt die Schneide noch ein wenig in die Unterlage ein. Messerschneiden kommt vorwiegend beim Schneiden von Leder, Papier, Textilien, Kunststoffen, Gummi oder Dichtungswerkstoffen zum Einsatz und eher selten bei metallischen Werkstoffen. 5

2.3. Spalten, Reißen, Brechen

Das Trennen eines breiten Coils in mehrere schmale Bänder erfolgt durch Schneiden mit kreisrunden, rotierenden Messern in Längsteilanlagen (Spaltanlagen) und wird als Spalten bezeichnet. Wird das Werkstück durch eine Zugbeanspruchung bzw. eine Biege- oder

⁴ Schuler 1996, S. 268

⁵ Vgl. Keller 2001, S. 57

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Drehbeanspruchung über seine Bruchfestigkeit hinaus beansprucht, spricht man von Reißen bzw. Brechen.

3. Biegeumformverfahren

Das Fertigungsverfahren Biegeumformen - kurz Biegen - ist nach der DIN 8586 eine Methode zur Umformung, die sich vornehmlich auf Metall bezieht, aber auch auf andere bildsame Stoffe übertragen werden kann. In diesem Verfahren wird der plastische Zustand eines festen Körpers im Wesentlichen durch eine Biegebeanspruchung herbeigeführt. Gemäß DIN 8586 ist das Biegen in zwei Untergruppen eingeteilt:

• Biegeumformen mit gradliniger Werkzeugbewegung und

• Biegeumformen mit drehender Werkzeugbewegung.

Das Biegen wird sowohl im Bereich der Massenproduktion kleinerer Werkstücke z.B. im Fahrzeugbau, als auch in der Einzelfertigung im Kessel-, Behälter- und Schiffbau sowie in der Herstellung verschiedenartiger Profile und Wellbleche eingesetzt und steht als Umformve rfahren in der Blechverarbeitung an erster Stelle. Neben den Blechen werden auch Drähte, Stäbe, Rohre, und Bänder mit den verschiedenen Biegeverfahren umgeformt. Zum Einsatz kommen dabei die typischen Umformmaschinen wie Pressen, Abkant-, Profilwalz-und Walzenrundmaschinen. Einen Gesamtüberblick über die unterschiedlichen Verfahrensvarianten gibt die DIN 8586 unter den Punkten 5. und 6. ⁶ Im Folgenden werden zunächst die allgemeinen Grundlagen des Biegens erläutert und anschließend die beiden Untergruppen Biegeumformen mit gradliniger und drehender Werkzeugbewegung näher beschrieben.

3.1. Grundlagen des Biegens

Unter Biegen versteht man das Umformen von festen Körpern (z.B. Bleche, Bänder, Profile) zu abgewinkelten oder ringförmigen Werkstücken. Der plastische Zustand der Werkstücke wird durch eine Biegebeanspruchung bleibend verändert. Die Vorraussetzung für den Biegevorgang ist die Umformbarkeit des Werkstoffes, d.h. der (metallische) Werkstoff besitzt die Fähigkeit, sich bei Einwirkung äußerer Belastungen ohne Aufhebung des Werkstoffzusammenhaltes bleibend zu verändern.

⁶ Vgl. König 1995, S. 112

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Biegen muss im plastischen Bereich des Werkstoffes erfolgen, so dass die Biegerichtung nach dem Rückfedern erhalten bleibt. Unter Rückfedern versteht man, dass das Werkstück infolge der elastischen Biegespannungen nach der Entlastung auffedert. Diese Auffederung ist je nach Werkstoffart verschieden und tritt bei allen Biegeverfahren auf. Daraus ergibt sich, dass der gewünschte Winkel am Werkstück nicht mit dem erforderlichen Winkel im Biegewerkzeug übereinstimmt. Der sogenannte Rückfederungsfaktor k R ist abhä ngig von den Werkstoffeigenschaften und vom Verhältnis Biegeradius/Blechd icke (r/s) und kennzeichnet das Verhältnis der Winkel:

k R = a 2 / a 1 = r i1 + 0,5 * s / r i2 + 0,5 * s [-],

mit a 1 : Winkel am Werkzeug (erforderlicher Biegewinkel) [°], a 2 : gewünschter Winkel am Werkstück (nach der Rückfederung) [°], s: Blechdicke [mm], r i1 : Innenradius am Werkzeug [mm], r i2 : Innenradius am Werkstück [mm].

Abb. 2: Rückfederung beim Biegen (Quelle: Schuler 1996, S. 367)

Ein weiterer wichtiger Faktor beim Biegen ist die Walzrichtung, wobei die geeignetste Ric htung zum Biegen quer zur Walzrichtung liegt. Beim Biegen senkrecht zur Walzrichtung muss der innere Biegeradius r i min , der sich nach der Blechdicke s [mm] richtet und so groß wie möglich auszuführen ist, niedriger gewählt werden als beim Biegen parallel zur Walzrichtung des Blechs. Wird der innere Biegeradius zu klein ausgeführt, entstehen scharfe Biegekanten die zum Versagen des Werkstoffes führen. Die Abhängigkeit des Rückfederungsfaktors k R vom Werkstoff und die kleinsten zulässigen Biegeradien r i min für