Höhere Effektivität des Produktionsprozesses

Im Rahmen eines Eureka-Projekts wird das Erzielen einer höheren Effektivität des Produktionsprozesses von Stanzteilen einer technischen Lösung zugeführt. Im Produktionsprozess bedeutet dies, unterschiedliche Technologien zur Herstellung von Präzisionsteilen durch eine einzige Technologie unter Einsatz einer progressiven Formungstechnologie zu ersetzen, konkret einer Technologie der Flächen- und Volumenkaltumformung den Vorzug zu geben.

Mittel zur Effektivierung der gegenwärtigen Produktion von Stanzteilen

Um die gesteckten Ziele zu erreichen, ist die Auswahl der Technologie für die Herstellung des Stanzteils besonders wichtig, um alle, auch streng spezifizierte Toleranzen zu erzielen. Wie bereits eingangs dieses Artikels erwähnt, wurde zu diesem Zweck eine progressive Umformtechnologie – die Feinschneidtechnologie ausgewählt. Einer der großen Vorzüge besteht gerade in der Einhaltung konservativerer Toleranzen. In Abhängigkeit von der Dicke des Teils können mit der erwähnten Technologie Toleranzen von IT8–IT9 erzielt werden. Der Hauptvorteil der Feinschneidtechnologie geht von einer Größe des Schneidspalts von nur 0,5–1 % der Rohmaterialdicke gegenüber dem konventionellen Schneiden aus, wo der Schneidspalt 5–10 % der Rohmaterialdicke, d. h. in einigen Fällen bis das Zehnfache beträgt. Während des Feinschneidprozesses wirkt nicht nur eine Kraft, wie das beim herkömmlichen Schneiden der Fall ist, sondern insgesamt drei Kräfte (neben der Grundkraft – der Schnittkraft – sind das ferner die Ringzackenkraft und die Gegenhalterkraft). Durch Kombination des richtig gewählten Schneidspalts und der genannten drei Kräfte entstehen beim Feinschneidprozess Druckspannungen, wodurch die erforderliche Sauberkeit  der „Glätte“ der Schnittfläche erzielt wird (fast ohne Abrisszone) und Maße im vorgeschriebenen Toleranzbereich. Bei der Wahl eines zu geringen Schneidspalts hat das durch den Einfluss der Druckspannungen beim Schneiden und der Zugspannungen beim Abstreifen des Materials freilich einen sehr negativen Einfluss auf die Haltbarkeit des Schnittwerkzeugs, und es kann in der Folge zu dessen Beschädigung kommen, was das Ende seiner Lebensdauer bedeutet.

Richtige Auswahl des Materials für die Funktionselemente des Werkzeugs

Da im Automobilbau und in der Elektrotechnik Teile in Millionenstückzahlen produziert werden und sich die Ansprüche an die Materialeigenschaften dieser Teile ebenfalls erhöhen, ist bei der Effektivierung des Produktionsprozesses von Stanzteilen auch die richtige Materialauswahl für die Funktionselemente des Werkzeugs - d. h. Werkzeugstähle mit höherer Reinheit oder pulvermetallurgisch herzustellende Werkzeugelemente - in Betracht zu ziehen. Die komplexesten Werkzeugmaterialien für den Bereich des Feinschneidens bieten Stahlfirmen wie Böhler, Uddeholm oder Zapp an. Für eine nachfolgende Erhöhung der Effektivität und Produktivität des Produktionsprozesses ist es bei 99 % der Schneidelemente erforderlich, auch eine geeignete Beschichtung oder eine Kombination mehrerer Beschichtungen zu verwenden, wobei die Auswahl vom Typ und der Dicke des zu schneidenden Materials abhängt, da dadurch eine in der Regel um mehr als einhundert Prozent erhöhte Standzeit und positivere Eigenschaften erzielt werden, insbesondere Abriebfestigkeit und Haftbeständigkeit (Entstehung von Kaltschneidverbindungen). Zu guter Letzt ebenfalls wichtige Parameter für die Produktion sind die Ausgangsparameter der Maschine – die Einstellung der Geschwindigkeiten (Anzahl der Hübe, von diesen ausgehende Deformationsgeschwindigkeiten), eine korrekt optimierte Geometrie des Teils und der aktiven Werkzeugteile für die Feinschneidtechnologie sowie die Auswahl eines geeigneten Schneidöls (Schnittöls). Die erwähnten Parameter können die Produktivität und Effektivität des Produktionsprozesses deutlich beeinflussen sowie zu einer Erhöhung bzw. Verminderung der Produktionskosten führen.

Forschung und Entwicklung

Aus den in den vorherigen Absätzen beschriebenen Gründen wurde von den Akteuren dieses Projekts ein experimentelles Programm entworfen und umgesetzt, dessen Ziel es war, das Materialverhalten bei der Feinschneidtechnologie zu beschreiben. Dieses experimentelle Programm bestand aus einer mechanischen Testreihe unter Berücksichtigung einer weiteren Computermodellierung. Die mechanischen Druckbeanspruchungstests wurden an Mustern vorgenommen, die in der Längs- und Querrichtung eines ausgewalzten und anschließend  gehärteten Bands entnommen wurden. Mit der Testauswertung wurde eine spannungsdeformierte Materialkurve bei günstig gewählten Belastungsgeschwindigkeiten so abgemessen, dass die Verformungsgeschwindigkeit adäquat den Geschwindigkeiten im realen Prozess ist. Das Kriterium für eine Materialbeschädigung wurde mittels einer technologischen Prüfung bestimmt, die den realen Prozess an einer vereinfachten Teileform simulierte. Die Computermodellierung erfolgte mittels des Verfahrens der finiten Elemente mit dem Programm Deform 2D. Durch eine günstig gewählte Vereinfachung des Teils zu einem achssymmetrischen Teil kann die Geometrie mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Elementen hinreichend beschrieben werden. Das Feinschneiden beginnt mit dem Einpressen der Andrückplatte mit Ringzacke, anschließend kommt es in gespanntem Zustand zum eigentlichen Schneiden. Für den ersten Prozessteil wurden die aus den Druckprüfungen gewonnenen Messdaten verwendet und für den zweiten Arbeitsgang die Daten aus der technologischen Prüfung. Auf der Grundlage eines optimierten numerischen Modells, das aus dem entworfenen Experiment entstanden ist, können bereits auch Teile mit einer deutlich komplizierteren Form ohne Herstellung eines Prototypenwerkzeugs simuliert werden, wodurch es zu einer großen zeitlichen wie finanziellen Einsparung bei Entwicklung und Herstellung von Folgewerkzeugen kommt.

Fortschrittlicheres Werkzeugmaterial und Beschichtungen

Die Umsetzung des genannten Projekts soll bei der Herstellung von Präzisionsstanzteilen hauptsächlich zu einer Erhöhung der Produktivität dank fortschrittlicherer Werkzeugmaterialien und Beschichtungen beitragen, ferner zu einer Erhöhung der Produktionsautomatisierung (Prozess der Teileherstellung ohne zwischen den Arbeitsschritten stattfindendes Handling mit automatischer Separierung der Fertigteile und des Abfalls) durch Senkung der Produktions- und Vorbereitungszeiten (das mehrfache Teileeinspannen entfällt) und einer damit verbundenen Kostenersparnis, zu einer erhöhten Arbeitssicherheit der Mitarbeiter dank geringeren Handhabungsaufwands mit den Produkten und nicht zuletzt zu einer Steigerung des Produktionsumfangs und einer damit verbundenen Erhöhung der Beschäftigtenzahl. Eine Kostenersparnis schlägt sich in großem Maße auch bei der Prototypenherstellung unter Nutzung der FEM-Simulation nieder, wobei es nicht wie bisher notwendig ist, ein Prototypenwerkzeug herzustellen und an ihm die Form des jeweiligen Teils und der aktiven Werkzeugteile zu optimieren. Dieser Artikel entstand im Rahmen des Eureka-Programms „LF12009 – Forschung und Entwicklung einer neuen Präzisionskaltformtechnologie als Ersatz für eine spangebende Formung“, mit Unterstützung des Ministeriums für Schulwesen, Jugend und Sport der Tschechischen Republik.