Verfahren zur Erzielung glatter Schnittflächen beim vollkantigen Schneiden von Blech

118 Pages·1963·4.364 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Otto Kienzle, Dr.-Ing. Manfred Meyer (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1162
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 621.961 :621.979.002.54
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Otto Kienzle
Dr.-Ing. Man/red Meyer
v.,
im Auftrage der Forschungsgesellschaft Blechverarbeitung e. Düsseldorf
Verfahren zur Erzielung glatter Schnittflächen
beim vollkantigen Schneiden von Blech
WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1963
ISBN 978-3-663-03961-7 ISBN 978-3-663-05150-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05150-3
Verlags-Nr. 011162
© 1963 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Vorwort
In der Blechverarbeitung gehört das Schneiden zu den wichtigsten Verfahren,
da jedes Blechwerkstück aus einer Tafel oder einem Band gewonnen wird. An
eine Vielzahl solcher Werkstücke werden nicht nur immer höhere Anforderungen
an die Maß- und Formgenauigkeit gestellt, sondern auch an die Güte ihrer
Schnittflächen, damit auch diese Funktionsflächen werden können, z. B. für
Typenhebel an Schreibmaschinen, Zahnräder für Uhren und elektrische Geräte,
Steuerscheiben und dergleichen mehr.
Da jedoch die beim herkömmlichen Schneiden von Blech entstehenden Schnitt
flächen diese Forderung ohne Nachbearbeitung nicht erfüllen können, war man
bestrebt, durch geeignete Maßnahmen derartige Funktionsflächen unmittelbar
durch den Scherschnitt zu erzielen. In der Industrie wurden bereits verschiedene
erfolgreiche Verfahren entwickelt, glatte Schnittflächen unmittelbar zu erzielen,
wenn auch nur entweder am Butzen odt;r am gelochten Blech.
Neben der Aufgabe, die bislang noch nicht eingehend untersuchten Zusammen
hänge zwischen Schneidbedingungen und Schnittergebnis zu klären, galt es, in
dieser Arbeit nach einem verbesserten Verfahren zu suchen, mit dem es gelingt,
den »Glattschnitt« zugleich an beiden entstehenden Schnittflächen zu erzielen.
Damit wird die für den Flächenschluß seit langem bestehende Forderung nach
gleichwertigen Trennflächen an benachbarten Stücken erfüllt.
Diese Arbeit wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik der
Technischen Hochschule Hannover unter der Leitung von Professor Dr.-Ing.
Dr.-Ing. E. h. OTTO KIENZLE durchgeführt und baut auf die dort gepflegte
Tradition der Forschung des Schneidens und der Durcharbeitung des Flächen
schlußproblems auf.
Meinem Lehrer Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. O. KIENZLE bin ich für seine
Anregung und Unterstützung dieser Arbeit zu großem Dank verpflichtet, ebenso
Herrn Professor Dr.-Ing. habil. G. OEHLER für seine wertvollen Hinweise.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bad Godesberg, und die Forschungs
gesellschaft Blechverarbeitung e. V., Düsseldorf, ermöglichten die Durchführung
der Untersuchungen. Die Firma F.M.A. Pokorny, Frankfurt, gewährte große
Hilfe bei der Konstruktion der Versuchseinrichtung.
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Inhalt
o.
Einführung .................................................... 9
0.1 Anforderungen an das Schnittergebnis ............. . . . . . . . . . . .. 10
0.2 Stand der Erkenntnisse über die Erzielung glatter Schnittflächen .. 12
0.3 Abgrenzung der Aufgabe... ..... ........ .... ..... ..... ...... 15
1. Die Vorgänge in der Schneidzone des Werkstückes
während des Schneidens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1 Verformungsphase.......................................... 17
1.2 Reißphase ................................................. 23
1.3 Kaltverfestigung ........................................... 27
1.4 Untersuchungen der Spannungen in der Schneidzone
zur Unterdrückung der Reißphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31
1.5 Spannungsoptische Untersuchungen. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. 32
1.6 Die wichtigsten Beobachtungen der spannungsoptischen Versuche. 35
1.61 Einfluß der Blechhalterkraft .................................. 37
1.62 Einfluß der Gegenhalterkraft ................................. 39
1.63 Einfluß des Schneidspaltes ................................... 39
1.64 Einfluß der Spiele zwischen Schneidplatte und Gegenhalter
sowie zwischen Blechhalter und Schneidstempel . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
1.65 Vergleich der spannungsoptischen Untersuchungen
mit den Ergebnissen der Schneidversuche ...................... 45
2. Versuchseinrichtung ............................................. 47
2.1 Pressengestell .............................................. 47
2.2 Hydraulische Steuerung ..................................... 50
2.3 Werkzeuge ................................................ 51
2.4 Kraft-und Wegmessung ... ..... ............ .... .... ..... .... 55
3. Versuche am geschlossenen Schnitt mit kreisrundem Stempel .......... 56
3.1 Einfluß des Blechhalters ..................................... 56
3.11 Blechhalterform 56
3.12 Blechhalterkraft ............................................ 61
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3.2 Einfluß des Gegenhalters .................................... 68
3.21 Gegenhalterform ........................................... 68
3.22 Gegenhalterkraft ........................................... 70
3.3 Einfluß des Schneidspaltes ................................... 72
3.31 Einfluß des Schneidspaltes auf das Schnittergebnis . . . . . . . . . . . . . .. 72
3.32 Einfluß eines auf dem Werkstückumfang
ungleichmäßigen Schneidspaltes .............................. 80
3.4 Einfluß der Werkzeugform ........ . ... .... .... ... .... ... . .... 82
3.41 Form des Schneidstempels ................................... 82
3.42 Form der Schneidplattenstirnfläche und der Schneidplattenkante . .. 83
3.43 Einfluß der Schmierung ..................................... 84
3.5 Zusammenhang der einzelnen Einflußgrößen ................... 86
4. Das Schneiden im offenen Schnitt und mit beliebiger Schnittlinie . . . . . .. 88
4.1 Der offene Schnitt .......................................... 88
4.2 Werkzeuge mit beliebiger Schnittlinie ......................... 89
5. Kraft-und Arbeitsbedarf beim Schneiden mit Blech-und Gegenhalter ., 93
5.1 Der Schneidkraftverlauf beim herkömmlichen Schneiden ......... 94
5.2 Der Schneidkraftverlauf beim Glattschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Schneidkraft und Schneidarbeit als Maschinenkenngröße ......... 102
6. Erzielbare Bearbeitungsgenauigkeit ................................ 105
6.1 Maßgenauigkeit ............................................ 105
6.2 Form-und Lagegenauigkeit ................ , ................. 107
6.3 Oberflächengenauigkeit ...................................... 108
6.4 Beanspruchbarkeit der Schnittfläche ........................... 109
7. Zusammenfassung............................................... 111
8. Literaturverzeichnis ............................................. , 113
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O. Einführung
Beim vollkantigen Schneiden von Blech mit Stempel und Schneidplatte entsteht
üblicherweise eine Trennfläche, die aus mindestens zwei Zonen, einer geglätteten
und einer mit bruchartiger Oberfläche und manchmal mehreren Zipfeln, besteht.
Solche Flächen sind nicht ohne weiteres als Funktionsflächen zu verwenden. Bei
den weiter unten noch näher beschriebenen Anforderungen an die Schnittfläche
sind ihre hauptsächlichen Funktionen:
a) eine Passung und eine saubere Schichtung zu ermöglichen,
b) als Führung zu dienen,
c) eine Kraft zu übertragen.
Dazu tritt häufig noch die Forderung nach gutem Aussehen. Meist ist eine Nach
bearbeitung der Werkstücke erforderlich, um zu a) eine bestimmte Genauigkeit
des Werkstückes, zu b) und c) eine einheitliche Oberfläche der Trennfläche mit
festem Gefüge zu erhalten. Um diesen zusätzlichen Arbeitsgang zu sparen, be
müht man sich in letzter Zeit immer mehr, den Schneidvorgang so zu beeinflussen,
daß die Bruchzone der Trennfläche verschwindet und die Schnittfläche ohne
Nachbearbeitung den an sie gestellten Anforderungen genügt.
In den letzten Jahren sind in verschiedenen Arbeiten die zum Schneiden erforder
lichen Kräfte und Werkzeugformen wie auch die Vorgänge im Werkstoff während
des Schneidvorganges untersucht worden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse
veranlaßten den Verfasser zu Vorversuchen, die der Untersuchung der Beeinflus
sungsmöglichkeit des Schneidverlaufes dienten. Ihre Ergebnisse und einige in der
Industrie bereits angewandte Verfahren zur Herstellung glatter Schnittflächen
zeigten, daß eine solche Beeinflussung durch Verwendung geeigneter Blechhalter
und Gegenhalter und Schneidspalte möglich sei.
In dieser Arbeit wird über Untersuchungen des Verfassers berichtet, die das Ziel
hatten, den Schneidvorgang durch Beeinflussung der Spannungen in der Schneid
zone mit den entsprechenden Werkzeugen und Kräften so zu lenken, daß die
Schnittflächen den in Abschnitt 0.1 gestellten Forderungen entsprechen (Ab
schnitt 1). Eine für diesen Zweck konstruierte Versuchseinrichtung (Abschnitt 2)
ermöglichte, die Einflußgrößen des Schneidverlaufes zu ermitteln. Die zunächst
im geschlossenen vollkantigen Schnitt mit kreisrunden Stempeln gefundenen Er
gebnisse (Abschnitt 3) wurden dann auf den offenen Schnitt und auf Werkzeuge
mit beliebiger Schnittlinie erweitert. Beim Schneidvorgang nach dem hier
gefundenen Verfahren weichen die in der Schneidzone des Werkstückes auf
tretenden Spannungen sowohl in der Größe wie auch in ihrem Verlauf von denen
beim üblichen Schneiden beobachteten ab. Ihre Auswirkung auf die Kraft und
die Arbeit am Pressenstößel wird in Abschnitt 5 geschildert.
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0.1 Anforderungen an das Schnittergebnis
Die oben erwähnten Anforderungen an das Schnittergebnis sind nun näher anzu
geben. Sie gliedern sich nach o. KIENZLE in:
a) Maßgenauigkeit der Umrißkanten
b) Formgenauigkeit: Ebenheit der Werkstücke, Kantenabfall
c) Lagegenauigkeit : Rechtwinkligkeit der Schnittfläche zur
\Verkstückebene
d) Oberflächengenauigkeit : Glatte Schnittflächen, gratfreie Werkstücke
Zu a) Durch Werkzeugführungen, die genau genug sind, um einen gleich
mäßigen Schneidspalt längs der ganzen Schneidkante des Werkzeuges zu gewähr
leisten, erreicht man beim üblichen Schneiden eine Maßgenauigkeit, die etwa der
Grundtoleranz IT 10 entspricht. Eine Verbesserung ist schon deshalb nicht mög
lich, weil die Schnittfläche des Werkstückes erhebliche Formfehler aufweist, die
entsprechend den Werkstücksmaßen Toleranzfelder oder Teile davon vorweg
nehmen. Schon hierin ist das Bestreben begründet, auch eine möglichst hohe
Formgenauigkeit zu erzielen.
Zu b) Unebenheit entsteht am ausgeschnittenen Teil (Innenstück) einmal in
Form einer Wölbung, zum anderen durch den Kantenabfall. Am gelochten Teil
(Außenstück) finden wir zufolge der beim Schneiden auftretenden Kraftmomente
ein Aufbiegen und ebenfalls einen Kantenabfall. Der Wölbung und der Auf
biegung trat man durch Blechhalter und Gegenhalter entgegen. Den Kanten
abfall, der besonders bei zähen Werkstoffen groß werden kann, versuchte man
durch scharfkantige Werkzeuge zu vermeiden. Dazu wurden die Schneidstempel
z. T. sogar leicht hohlgeschliffen. Dabei beobachtete man, daß das Fließen des
Werkstoffes in die Schneidzone weitgehend unterbunden wird; offenbar ist das
auf Spannungsspitzen im Werkstückstoff zurückzuführen, die eine Trennung
durch Bruch schon nach geringer Eindringtiefe herbeiführen.
Zu den Formfehlern zählen wir auch den Grat, der durch ein Herausschieben
von Werkstoff aus der Blechebene entsteht. Er stört am meisten, wenn die Werk
stückoberfläche eine Funktionsaufgabe hat. Das bekannteste Beispiel dafür bilden
die Läufer-und Statorbleche von Elektromotoren, bei denen die Grathöhe wegen
der Gefahr des magnetischen Schlusses und zur Erzielung eines günstigen Stapel
faktors begrenzt sein muß.
Zu c) Für die rechtwinklige Lage der Schnittfläche zur Werkstückebene ist eine
glatte Schnittfläche Voraussetzung; denn die beiden Trennzonen (geglättete und
Bruchzone) bilden miteinander stets einen Winkel. Daher ist beim üblichen
Schneiden eine eindeutige Bestimmung der Trennflächenlage nicht möglich.
Zu d) Ist schon nach den bisher genannten Gesichtspunkten eine glatte Schnitt
fläche erwünscht, so ist sie noch aus einem weiteren Grunde zu fordern, nämlich
um mechanische Beanspruchungen übernehmen zu können. Infolge der Rundung
der Kanten der Schneidplatte kann die durch Trennbruch entstandene unregel
mäßige Trennfläche ein »glänzendes« Aussehen erhalten. In Wirklichkeit besteht
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sie aber aus einer dünnen Schicht »geplätteter« Werkstofft eilchen, die sich bei
mechanischer Beanspruchung löst und die darunter liegende Bruchoberfläche
wieder sichtbar werden läßt.
Nur wenn der Schneidverlauf so gelenkt werden kann, daß Risse und Trenn
brüche gar nicht auftreten, sondern die ganze Blechdicke »geschnitten« wird,
weist das Gefüge des Werkstückes an der Schnittfläche die dem Werkstoff ent
sprechende Festigkeit auf. Geschnittene Blechteile, die diesen Anforderungen ent
sprechen sollen, werden vorwiegend bei der Herstellung feinmechanischer Geräte
im Klein- und Kleinstmaschinenbau benötigt. Eine riesige Anzahl von Hebeln,
Steuerscheiben, Zahnrädern, -stangen und -segmenten für Rechenmaschinen,
Uhren und Regelapparaturen werden heute noch mit kostspieligen Nachbear
beitungen hergestellt.
Nicht immer wird es bei solchen Werkstücken erforderlich sein, alle unter a-d
aufgezählten Anforderungen an das Schnittergebnis zugleich erfüllen zu müssen.
So kann es für einen Hebel zur Kraftübertragung, beispielsweise bei einer
Schreibmaschine, genügen, wenn die Maßgenauigkeit, die Formgenauigkeit und
die Lagegenauigkeit eingehalten werden. Bei einer Steuerscheibe wird daneben in
erster Linie die Oberfiächengenauigkeit der Schnittfläche das Wesentliche sein.
Dagegen wird man von einem Zahnrad Maß genauigkeit, Formgenauigkeit, Lage
genauigkeit und Oberflächengenauigkeit zugleich fordern müssen.
Häufig genügt es, daß das Außent eil oder das Innenteil den Genauigkeitsanforde
rungen entspricht, denn meistens ergibt sich durch den Schnitt ein Werkstück
und ein Restblech. Bisweilen ist aber hinsichtlich der Schnitte ein und dasselbe
Teil Innen- und Außenstück, z.B. ein ausgeschnittenes Zahnrad ist zunächst
Innenstück; beim Schneiden des Loches für die Achse ist es jedoch Außenstück.
Wenn es - wie bisher - durch gewisse Maßnahmen (Abschnitt 0.2) gelingt, eine der
beiden Schnittflächen (innen und außen) glatt zu erhalten, so ist es doch noch
nicht für beide gleichzeitig gelungen. Hierin liegt die Forderung nach einem ver
besserten Verfahren.
Eine weitere wesentliche Begründung für eine solche Forderung liefert der
Flächenschluß. Er besteht nach O. KIENZLE und H. HEEscH [24] in der lücken
losen, verlustlosen Aufteilung von Tafeln und Bändern in kongruente Einzcl
werkstücke. Ein grundlegendes Gesetz der Flächenschlußlehre besagt, daß in
einer regelmäßigen Zerlegung (d. h. in der Auft eilung einer Tafel in kongruente
Einzelwerkstücke) jeder Bereich (Werkstück) jedem anderen sowohl hinsichtlich
seiner Form wie auch hinsichtlich seiner Lage gleichwertig ist. Dieses Gesetz
erhält seine Verwirklichung erst dann, wenn die bei einem Schnitt entstandenen
zwei Schnittflächen (KIENZLE und HEEscH führten dafür den Begriff der Schnitt
ufer ein) einander gleichwertig sind.
Die bisher einzige technische Verwirklichung für die Forderung nach gleich
artigen Schnittufern ist der Messerschnitt, bei dem das Werkzeug auf beiden
Seiten gleiche Watenwinkel hat und somit symmetrisch ist. Dagegen ist der Scher
schnitt zwischen Stempel und Schneidplatte grundsätzlich ein asymmetrischer
Vorgang. Die beim üblichen Schneiden auftretenden unterschiedlichen Trenn-
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zonen liegen nämlich am Innenstück und am Außenstück auf verschiedenen Sei
ten. Ebenso geht der Grat beider Schnittufer in entgegengesetzte Richtungen, und
der Kantenabfallliegt einmal auf der Oberseite, zum anderen auf der Unterseite
des Werkstückes.
0.2 Stand der Erkenntnisse über die Erzielung glatter Schnittflächen
Den Schneidvorgang und damit die Güte der Schnittflächen zu beeinflussen, hat
schon TIMMERBEIL [40] versucht. Bei seinen Untersuchungen des Schneid
vorganges erkannte er, daß die Schnittflächen am Innenstück und am Außenstück
je nach den Versuchsbedingungen verschieden ausfallen. Bei weichen Werk
stoffen bis zu 40 kpjmm2 Festigkeit und Blechdicken bis zu 4 mm zeigte bei klei
nem Schneidspalt das Innenstück Einzipfelungen, während das Außenstück bis
auf eine schmale Bruchzone eine glatte Schnittfläche aufwies. Da die Unterschiede
dadurch entstanden, daß der Einriß von der Schneidplatte aus eingeleitet wurde,
versuchte TIMMERBEIL den Vorgang so zu lenken, daß durch einen Rißbeginn
vom Stempel aus die Zipfelbildung am Außenstück entsteht und die Schnittfläche
des Innenstückes über die ganze Blechdicke glatt wird. Er erreichte das, indem
er der Schneidplatte durch leichte Abrundung der Schneidkante die gute Trenn
wirkung nahm. Als Nachteil zeigte sich jedoch ein beachtlicher Gratansatz durch
Verpre~sung des infolge unregelmäßigen Abrisses überzähligen Werkstoffes.
In dieser Möglichkeit ging man bei der Production Engineering Research Asso
ciation noch einen Schritt weiter: Die Kanten der Schneidplatten wurden sehr
stark gerundet (Radius mehrere Millimeter), und der Schneidstempel tauchte bei
negativem Schneidspalt nur bis in die Kantenrundung ein (Abb. la). Diese
Kantenrundung verhindert jetzt nicht nur den Anriß von der Schneidplatte her,
sondern erhöht das Fließvermögen des Werkstoffes in die Schneidzone. Durch
eine Rundung der Schneidplattenkante erreicht man eine glatte Schnittfläche am
Innenstück. Soll jedoch das Außenstück Werkstück sein, so ist der Vorgang um
gekehrt; d. h. die Kante der Schneidplatte bleibt scharf, während die Stempelkante
mit der entsprechenden Rundung versehen wird (Abb. 1 b).
Abb. 1 Glatte Schnittflächen durch Schneidkantenrundung (PERA)
a) am Tnnenstück b) am Außenstück
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