DE19834510A1

DE19834510A1 - Verfahren zum Herstellen von Werkstücken

Info

Publication number: DE19834510A1
Application number: DE1998134510
Authority: DE
Inventors: Franz Birzer; Willy Tobler
Original assignee: Feintool International Holding AG
Current assignee: Feintool International Holding AG
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-03

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Werkstücken durch Scherschneiden, insbesondere Feinschneiden, aus metallischen Werkstoffen in Band- oder Streifenform, soll der Band- oder Streifenabschnitt vor dem Scherschneiden bzw. Feinschneiden bei Stahl auf eine Temperatur zwischen 480 DEG C und 820 DEG C (Halbwarm-Temperatur) erwärmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Werkstücken durch Scherschneiden, insbesondere Feinschneiden, aus metallischen Werkstoffen in Band- oder Streifenform.

Das Feinschneiden zählt ebenso wie das Scherschneiden nach DIN 8580 zur Hauptgruppe Trennen. Bspw. ist das Feinschneiden aus der EP 85 81 05 31.5 oder auch aus der CH 05683/84 bekannt. Allerdings können bis heute keine besonders dicken Stahlwerkstoffe oder hochlegierte Stähle feingeschnitten werden, ohne dass es sehr unerwünschte Einrisse in den Schnittflächen gibt. Auch ist ein Feinschneiden von ungeglühtem Warmband mit höherem C- und/oder Legierungsgehalt und einrissfreien Schnittflächen nicht möglich. Ferner sind viele sehr schwierige geometrische Formen beim Umformen in Verbindung mit dem Feinschneidverfahren nicht herstellbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

Zur Lösung der Aufgabe führt, dass der Band- oder Streifenabschnitt vor dem Scherschneiden bzw. Feinschneiden bei Stahl auf eine Temperatur zwischen 480°C und 820°C (Halbwarm - Temperatur) erwärmt wird.

Bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 570°C-600°C. Es hat sich herausgestellt, dass in diesem Temperaturbereich auch dickere Stähle, zur Zeit etwa bis zu 15 mm, feingeschnitten werden können, ohne dass es zu Einrissen an der Schnittfläche kommt. Ferner kann auch ungeglühtes Warmband mit einem höheren C- und/oder Legierungsgehalt mit einrissfreien Schnittflächen erzeugt werden. Viele zusätzliche geometrische Formen sind herstellbar, die bisher kalt nicht herstellbar waren. Hierzu gehören vor allem bei flachen Teilen schmale Stege, sehr kleine Löcher, Verzahnungen mit kleinen Modulen usw. Ziehvorgänge, Biegungen, Prägungen u. a. Umformungen sind möglich, die kalt nicht durchführbar sind.

Wird das Werkstück aus einem Band oder Streifen nur ausgeschnitten und nicht umgeformt, so genügt es, den Werkstoff vor der Bearbeitung auf den gewünschten Temperaturbereich zu bringen. Findet allerdings auch ein Umformen des Werkstückes, bspw. in einem Werkzeug mit Transfer, statt, so ist besonderes Augenmerk auf die Temperaturhaltung zu richten. Das Werkstück soll möglichst geringen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden.

Unter dem Umformvermögen wird die Fähigkeit eines Werkstoffes verstanden, sich mehr oder weniger vor dem Bruch plastisch zu verformen. Bei Stahl ist bei Raumtemperatur das Umformvermögen noch eingeschränkt. Erst bei Halbwarmtemperatur und darüber beginnt ein starker Anstieg der Umformfähigkeit, was auf die zunehmend parallel mit der Kaltverfestigung ablaufenden Kristallerholung zurückzuführen ist.

Der Grenzumformgrad ist bei 600°C ca. dreimal so gross wie bei Raumtemperatur. Eingeschränkt werden diese Vorteile durch die oberhalb von 600°C zunehmende Oxyd-(Zunder-) Bildung, was sich auf die Qualität der umgeformten und feingeschnittenen teile und die Standzeit der Werkzeuge nachteilig auswirkt.

Dieses neue Verfahren bedingt auch neue Technologien, insbesondere im Bezug auf die Werkzeugtechnik, besonders ausgewählte Werkzeugstähle mit Beschichtung, neue Schmiermittel und Steuerung des Verfahrensablauf, insbesondere was die Temperaturführung anbelangt. Infolge des hohen Wärmebereiches wird es notwendig sein, die Stanzwerkzeuge zu beschichten, andererseits müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass möglichst wenig Wärme an die übrigen Maschinenelemente abgeleitet wird.

Werkzeugstoff und verwendeter Schmierstoff müssen aufeinander abgestimmt werden. Er verursacht je nach Zusammensetzung eine mehr oder weniger starke Temperaturwechselbelastung der Werkzeuge. Dabei bewirken Wasserbestandteile im Schmiermittel eine starke Abkühlung des Werkzeuges und damit einen grösseren Thermoschock als Ölbestandteile.

An die Schmierstoffe für die Halbwarmumformung werden Anforderungen bezüglich guter Kühl- und Schmiereigenschaft, gute Benetzung der Werkzeuge, ausreichende Adhäsion zur Werkzeugoberfläche und guter Verschleissschutz gestellt. Der Trend geht in Richtung ölfreier, wasserbasierter Schmiermittel.

Für die Auswahl der Werkzeugstoffe ist die erreichbare Lebensdauer der Werkzeuge in Relation zu den Kosten ein ausschlaggebendes Kriterium. Die Eignung der Werkzeugstoffe hängt im Bereich der Halbwarmumformung stark von den Prozessparametern ab. Vorwiegend werden Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle eingesetzt. Generell bestehen enge Zusammenhänge zwischen den zum Einsatz kommenden Schmiermitteln und der Lebensdauer der für die Werkzeuge ausgewählten Werkzeugstoffe.

Die Erhöhung der Prozesswärme erleichtert den Prozess durch Senkung der Umformkraft und Steigerung des Umformvermögens. Andererseits führt die Blecherwärmung auch zu einem Anstieg der Werkzeugtemperatur, insbesondere der Aktivelemente.

Folgende Werkzeugwerkstoffe sind für den Einsatz bei Halbwarmumformung geeignet:

Schnellarbeitsstähle, wie beispielsweise der S 6-5-2 (1.3343).

Im Vergleich zu Warmarbeitsstählen erreicht er eine erhebliche höhere Härte bei hoher Anlassbeständigkeit. Trotzdem besitzt er noch gute Zähigkeitseigenschaften. Der hohe Legierungsgehalt führt aber zu einer geringen Wärmeleitfähigkeit und damit zu einer im Vergleich zu klassischen Warmarbeitsstählen vorhandenen Empfindlichkeit gegen Thermoschock. Deshalb könnte eine Wasserkühlung bei diesem Werkstoff zu Problemen führen. In Verbindung mit wasserfreien Schmiermitteln hat sich dieser Stahl vielfach bewährt. Er wird für alle Werkzeug-Aktivelemente verwendet.

Warmarbeitsstähle

Für den Bereich der Halbwarmumformung werden unterschiedliche Warmarbeitsstähle eingesetzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Stähle mit relativ niedriger Härte und hoher Thermoschockbeständigkeit (z. B. X32CrMoV3.3 oder X38CrMoV5.3) oder aber auch um Stähle mit höherer Härte aber etwas geringerer Thermoschockbe ständigkeit (z. B. X40CrMoV5.1).

Die bevorzugte Prozesstemperatur von 600°C stellt im Hinblick auf die Anlassbeständigkeit der Werkzeugstähle einen Grenzwert dar. Sowohl Schnellarbeitsstähle wie auch Warmarbeitsstähle beginnen ab 590°C an Härte zu verlieren. Für die Umformstempel werden in der Regel PM- Schnellarbeitsstempel eingesetzt, die plasmanitriert und PVD-beschichtet sind.

Feinschnitteile, die bei Raumtemperatur hergestellt werden, weisen ein sehr genaues Mass auf. Werden jedoch Teile bei Halbwarm-Temperatur feingeschnitten oder umgeformt und feingeschnitten, so wird infolge erhöhter Temperatur und abhängig von der geometrischen Form, ein Unter- oder Übermass auftreten.

Da auch an halbwarm feingeschnittene und umgeformt und feingeschnittene Teile hohe Massanforderungen gestellt werden, müssen die komplizierten Zusammenhänge zwischen Wärmedehnung und Dehnung infolge Spannungseinwirkungen genauer ermittelt werden.

Dies geschieht bevorzugt durch die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels eines Computersimulations verfahrens. Möglich ist auch eine spätere Kalibrierung des Werkstückes.

Verfahrensvorteile des Halbwarm-Feinschneidens und Umformen und Feinschneidens liegen auch darin, dass infolge der höheren Temperatur die Fliessspannung herabgesetzt wird und dadurch geringere Pressenkräfte erforderlich sind. Das hat wiederum eine Maschine mit niedriger Gesamtkraft zur Herstellung eines Teilspektrums, geringere Investitions kosten bzw. Maschinenstundensätze zur Folge. Die Anzahl der benötigten Fertigungsstufen kann bei Halbwarm-Umformen und Feinschneiden im Vergleich zu dem Prozess bei Raum temperatur verringert werden, so dass das Werkzeug kürzer und kompakter gebaut und auf kleineren Maschinentischen aufgespannt werden kann.

Im Vergleich zur Warmumformung lässt sich durch die stark herabgesetzte Zunderbildung eine wesentlich bessere Form- und Massgenauigkeit der Bauteile sowie eine fast mit der Kaltumformung vergleichbare Oberflächengüte erreichen.

Beim Kaltverformen muss oftmals zwischengeglüht werden, um den Werkstoff wieder verformungsfähig zu machen. Hierzu muss das Werkstück aus der Maschine genommen werden. Beispielsweise gilt dies für das Kragenpressen oder prägen. Dieser Schritt fällt bei dem erfindungsgemässen Verfahren weg.

Die Teileformen, die durch Halbwarm-Feinschneiden und Umformen und Feinschneiden aus Band- und Streifenmaterial hergestellt werden können, erweitert das Anwendungsgebiet des Feintoolings bei Raumtemperatur. Im Gegensatz zur Kalt- und Halbwarm-Massivumformung, bei denen von Draht- und Stangenabmessungen als Vormaterial ausgegangen wird und weitgehend rotationssymmetrische oder achsensymmetrische Präzisionsteile gefertigt werden, liegt bei der neuen Technologie der Blech-Halbwarm-Umformung die Teilegeometrie meist ausserhalb dieser Anwendungsfelder.

Bei der Halbwarmumformung kommen vorwiegend höher legierte Stähle, die kalt nur schwer umgeformt werden können, und niedrig legierte Stähle, die dadurch stärker als bei Raumtemperatur umgeformt werden können, zur Anwendung.

Das Verfahren ist nicht nur auf Stahl sondern auch bei anderen metallischen Werkstoffen anwendbar.

Die Erwärmung der Bleche kann beispielsweise durch Induktion erfolgen. Unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Wechselfeldes wird im Blech ein elektrischer Strom induziert, der die Erwärmung bewirkt. Von Einfluss auf die Eindringtiefe sind Frequenz und Leitfähigkeit. Im Hinblick auf eine kurze Erwärmungszeit ist ein Umrichter erforderlich. Die Erwärmung des Blechs kann von einer Seite aus erfolgen. Aufgrund kurzer Zyklen ist es jedoch effektiver die Erwärmung von beiden Seiten des Bleches hervorzunehmen.

Zur Optimierung der induktiven Erwärmung sind experimentelle Untersuchungen mit unterschiedlichen Induktorgeometrien sowie unterschiedlichen Positionierungen zum Blech erforderlich.

Die Technik der induktiven Band- und Abschnittserwärmung und die damit verbundenen Einzelprobleme, stellen ebenfalls eine neue Entwicklung dar, denn bisher werden in der Massenfertigung nur Draht- oder Stangenabschnitte induktiv erwärmt. Beim Blech spielt das Verhältnis Oberfläche zu Volumen des Bandabschnittes in Bezug auf Abstrahlung, Durchwärmung und Wärmeverteilung eine grosse Rolle.

Eine weitere Möglichkeit der Erwärmung ist durch die Widerstandserwärmung gegeben. Hierbei wird die Wärme zwischen Elektroden im Werkstück erzeugt. Allerdings verteilt sich der Strom nicht gleichmässig über den gesamten zu erwärmenden Querschnitt.

Eine Erwärmung durch Laser ist zwar möglich aber technisch nur schwer realisierbar. Die einbringbare Leistung liegt weit unter derjenigen der induktiven Erwärmung. Dies erfordert eine wesentlich längere Erwärmungszeit. Darüberhinaus muss zur flächenhaften Erwärmung der Laserstrahl gesteuert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher beschrieben; diese zeigt in

Fig. 1 einen Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens zum Herstellen von Werkstücken durch Feinschneiden;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Feinschneidwerkzeug, das bei den Verfahren nach Fig. 1 verwendet wird.

In einem Verfahrensbereich 1 erfolgt die Bereitstellung des Stanzmaterials beispielsweise als Band auf einer Haspel 1.1 oder als Streifen auf einem Streifeneinlegegerät 1.2. Beide werden durch Rollenvorschübe 1.3 den weiteren Bearbeitungsstufen zugeführt.

In einem Bereich 2 wird der Platinenzuschnitt geschnitten 2.1, dieser ggf. auf 150°C bis 200°C vorgewärmt 2.2 und ggf. vorgefettet 2.3. Dieser Abschnitt wird dann sofort in den Bereich 3 überführt. Dort wird die Platine und/oder das Werkzeug auf Halbwarm-Temperatur erhitzt 3.1, besprüht 3.2 und in einem oder mehreren Schritten umgeformt 3.3 oder 3.4.

In einem Bereich 4 erfolgt das partielle oder gesamthafte Feinschneiden des umgeformten Teiles, wobei hier grundsätzlich verschieden hohe Temperaturniveaus möglich sind.

- Feinschneiden bei Raumtemperatur 4.1. Hierbei ist eine gezielte Abkühlung 4.2 des halbwarm-umgeformten Teiles erforderlich.
- Feinschneiden bei Halbwarm-Temperatur 4.3. Ein Zwischenerwärmen des umgeformten Teiles infolge Temperaturverlust wird notwendig 4.4.
- Feinschneiden zwischen Raumtemperatur und Halbwarmtemperatur 4.5.

Das umgeformte Teil kühlt: nach der Umformung unkontrolliert ab und wird zwischen Raumtemperatur und Halbwarmtemperatur feingeschnitten.

In weiteren Bereichen kann das Teil kalibriert, gehärtet oder gereinigt werden.

Dieses Verfahren beschreibt ein kombiniertes Feinschneiden und Umformen bei erhöhten Temperaturen. Findet nur ein Feinschneiden statt, so ist gemäss Fig. 2 ein spezielles Feinschneidwerkzeug vorgesehen. Dieses weist einen Stempel 17 auf, der mit und ohne Innenform ausgebildet sein kann. Ein Auswerfer 18 ist in einer Schneidplatte 19 geführt, welche auch die Ringzacken ausbildet. Der Stempel 17 dagegen ist in einer Führungsplatte 20 geführt.

Sowohl der Schneidplatte 19 als auch der Führungsplatte 20 kann jeweils ein Heizplatte 23 aufgesetzt sein, in welcher Heizelemente 23 und 24 vorgesehen sind. Mit 25 ist ein Wärmesensor angedeutet.

Sowohl Stempel 17 als auch Auswerfer 18 und Platten können durch Keramikplatten 26.1 bis 26.4 gegenüber anderen Elementen des Werkzeuges isoliert sein.

Bezugszeichenliste

1.1

Verfahrensbereich

2.2

Verfahrensbereich

3.3

Verfahrensbereich

4.4

Verfahrensbereich

1

Haspel

2

Streifeneinlegegerät

3

Rollenvorschübe

4

Platinenschnitt

5

Vorwärmung

6

Vorschmierung

7

HW-Temperatur

8

Nachschmieren

9

Umformen

12

Feinschneiden

13

Abkühlen auf RT

14

Feinschneiden

15

Zwischenwärmen

16

Feinschneiden ohne Ab kühlen od. Erwärmen

17

Stempel

18

Auswerfer

19

Schneidplatte

20

Führungsplatte

21

Platte

22

Platte

23

Heizelement

24

Heizelement

25

Wärmesensor

26

Keramikplatte

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken durch Scherschneiden, insbesondere Feinschneiden, aus metallischen Werkstoffen in Band- oder Streifenform, dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Streifenabschnitt vor dem Scherschneiden bzw. Feinschneiden bei Stahl auf eine Temperatur zwischen 480°C und 820°C (Halbwarm-Temperatur) erwärmt wird.

2. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken durch Scherschneiden, insbesondere Feinschneiden, aus einem Band- oder Streifen-Abschnitt und zum Umformen dieses Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Streifenabschnitt bzw. das Werkstück vor bzw. während den Bearbeitungsvorgängen bei Stahl auf eine Temperatur zwischen 480°C und 820°C (Halbwarm-Temperatur) gebracht bzw. gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Streifen-Abschnitt bzw. das Werkstück aus Stahl eine Temperatur von 570°C bis 600°C bei der Herstellung bzw. Bearbeitung aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Streifen-Abschnitt bzw. das Werkstück induktiv erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Band- oder Streifen-Abschnitt aus Stahl oder einem anderen metallischen Werkstoff besteht und eine Dicke von 3 mm bis zu 15 mm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stanzwerkzeug bzw. ggf. ein Umformwerkzeug beschichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivelemente der Stanzwerkzeuge aus PVD-beschichteten Werkzeug-Werkstoffen hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stanz- und Umformwerkzeuge mit Spezial-Schmiermitteln behandelt werden.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente für die Bearbeitung des Band- oder Streifenabschnittes bzw. der Werkzeuge gegenüber anderen Maschinenelementen abisoliert werden.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Über- und/oder Untermass des Werkstückes, welches durch die Wärmeeinwirkung in Erscheinung tritt, ermittelt und durch Einrechnen eines Korrekturfaktors bei der Bearbeitung eliminiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Korrekturfaktors durch Computersimulation erfolgt.

12. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken durch Scherschneiden, insbesondere Feinschneiden und Umformen aus einem Band- oder Streifen-Abschnitt, der in einem ersten Verfahrensbereich bereitgestellt wird, dadurch gekenn zeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensbereich (2) des Verfahrensablaufes der Platinenzuschnitt vorgewärmt und geschmiert, dann sofort in einen nächsten Verfahrensbereich (3) überführt und dort auf Endtemperatur erhitzt, nachgefettet und in einem oder mehreren Schritten umgeformt wird, während in einem weiteren Verfahrensbereich (4) das partielle oder gesamthafte Feinschneiden erfolgt, wobei grundsätzlich im Verfahrensbereich (3) mit verschieden hohen Temperaturniveaus gearbeitet werden kann.