Einsatz alternativer Werkzeugwerkstoffe zum Feinschneiden hochfester Blechgüten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ergebnis dieses Forschungsprojekts ist die Erkenntnis über den Zusammenhang zwischen den auf den Stempel wirkenden Klemmkräften und den daraus resultierenden Abstreifkräften beim Feinschneiden. Anhand des 3D-FE-Simulationsmodells des Feinschneidens mit elastischem Stempel wurden die numerischen Daten für den Spannungszustand im Stempel in Abhängigkeit von der Blechdicke 푠 und der Werkstoffzugfestigkeit 푅m generiert. Dies ermöglichte die Ermittlung des Zusammenhangs der Klemm- und Abstreifkräfte von der Blechdicke und Zugfestigkeit. Letztendlich liefert dies eine Aussage über die Anwendbarkeit von Hartmetallen als Werkzeugwerkstoffe beim Feinschneiden hochfester Blechgüten. In dem ersten Schritt wurde ein validiertes 3D-FE-Simulationsmodell des Feinschneidprozesses von Abstandsscheiben mit 3,2 mm Dicke aus C45E Stahl erstellt. Eine elastische Formulierung des Werkstoffverhaltens für den Hauptstempel ermöglichte die Ermittlung von Klemmkräften für die Erstellung eines analytischen Modells der Klemmkraft 퐹K und der Abstreifkraft 퐹A . Anhand der numerischen Analyse mit dem erstellten Modell erfolgte in zweitem Schritt die Herleitung eines analytischen Modells der Klemmkraft 퐹K anhand der Welle-Nabe-Verbindung-Theorie. Dieses Modell wurde auf Basis der numerisch ermittelten Daten validiert. Das erarbeitete Modell basiert auf den physikalischen Werten der Blechdicke 푠 und der Zugfestigkeit des Blech- S werkstoffs an der Schnittzone am Ende des Schneidvorgangs 푅m . Somit ist das Modell auch für weitere Blechwerkstoffe und Blechdicken anwendbar. Eine Betrachtung der Zugfestigkeit des S Blechwerkstoffs an der Schnittzone am Ende des Schneidvorgangs 푅m in dem erstellten Modell führt zu einer deutlichen Steigerung der Vorhersagbarkeit der Klemmkraft im Vergleich zur Betrachtung der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 푅m . In dem dritten Schritt wurde das numerische Simulationsmodell des Feinschneidens für die Blechdicken 푠 = 3, 4 und 5 mm sowie für die hochfesten Blechwerkstoffe C86D, 34CrNiMo6 und 42CrMo4 verifiziert. Da für die ausgewählten Blechdicken und Werkstoffe keine Prozessdaten vom Industriepartner verfügbar waren, wurden die Eingangs- und Ausgangsprozesskräfte teilweise durch eine lineare Interpolation und teilweise mithilfe vorhandener analytischer Formeln berechnet. Die Verifizierung erfolgte durch den Vergleich der numerisch ermittelten maximalen Werte der Stempelkraft mit den nach phänomenologischen Ansatz berechneten Werten. Mithilfe des im dritten Schritt verifizierten numerischen Modells wurden numerische Daten der Klemmund Abstreifkräfte generiert, die für die Modellierung der Klemmkraft in AP 2 und der Abstreifkraft in AP 4 eingesetzt wurden. Ein Regressionsmodell der Abstreifkraft 퐹A wurde in Abhängigkeit von der Blechdicke s und der S Zugfestigkeit des Blechwerkstoffs an der Schnittzone am Ende des Schneidvorgangs 푅m in dem viertem Schritt erstellt. Die Form der Funktion wurde so gewählt, dass die numerisch ermittelten Werte der Abstreifkraft am besten beschrieben werden können. Aufgrund fehlender experimenteller Untersuchungen ist es zu empfehlen, zusätzliche Feinschneidversuche durchzuführen. Diese experimentellen Versuche müssen zwingend die Ermittlung von Klemm- und Abstreifkräften beinhalten. Anhand der Versuchsergebnisse können die ermittelten Modellparameter für Klemm- und Abstreifkraft präzisiert werden. Die Analogieversuche zur Ermittlung der maximal von dem Hartmetall ertragbaren Abstreifkraft 퐹A haben im fünftem Schritt gezeigt, dass die Klemmkräfte bis 44 kN zu keinem Bruch und zu keiner Beschädigung des Stempels aus Hartmetall führen. Um hier weitere Ergebnisse zu erlangen, muss auf dem Analogieprüfstand eine deutlich höhere Klemmkraft aufgebracht werden als im bereits getesteten Bereich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2016): Wissensbasierte Auswahl und Auslegung von Hartmetall-Feinschneidstempeln in Abhängigkeit zur Schneidaufgabe und Blechgüte. 36. EFB-Kolloquium. Hannover, Germany, 12-13 April (Prozesstechnik in der Blechverarbeitung: Interaktion, Maschine, Werkzeug).
Feuerhack Andreas, Shirobokov Anton, Mattfeld Patrick-Marcel, Klocke Fritz (Hg.)
- (2018) 3D-Simulation des Feinschneidens mittels FORGE. 14. FEM-Anwendertreffen. Aachen, Germany, 11. April 2018
Oksana Baer
