Untersuchungen zum Knüppelscheren mit niederfrequenter Schwingungsanregung des Schneidewerkzeuges
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Rohteile für die Massivumformung werden überwiegend durch Scheren von Stangenmaterial hergestellt. Die Herstellung möglichst gering verformter, maßhaltiger und volumengenauer Halbzeuge ist Grundlage der fehlerfreien Weiterbearbeitung. Ziel des Projektes war die qualitative Verbesserung der Scherflächenqualität durch niederfrequente Schwingungsanregung des oberen Schermessers. Des Weiteren wurde der Einfluss einer erhöhten Schergeschwindigkeit auf die Scherflächenqualität der Knüppelabschnitte untersucht. Voruntersuchungen am IPH haben den grundlegenden positiven Einfluss einer Schwingungsanregung auf das Scherergebnis bestätigt. Mit diesen Erkenntnissen konnte die Wirkungsweise der Schwingungsüberlagerung in diesem Vorhaben untersucht und verbessert werden. Eine Verbesserung der Scherergebnisse kann vor allem in Bezug auf eine möglichst plane, senkrechte Scherfläche erreicht werden. Mit einer Schwingungsanregung des Schermessers konnten mehrere Parameter, z. B. Standwinkel oder Unebenheit der Schnittfläche, der Scherflächenausbildung gleichzeitig verbessert werden. Neben einer Steigerung der Qualität der Scherfläche wird insbesondere eine Reduktion des Standwinkels auf weniger als 1° und die Verringerung der Welligkeit der Scherfläche erreicht. Bauteile, bei denen besonders gerade oder scherfehlerfreie Schnittflächen an Halbzeugen notwendig sind, profitieren deshalb vom schwingungsüberlagerten Knüppelscheren. Infolge der Schwingungsüberlagerung wird der Druck im Scherwerkstoff beim Scheren erhöht, so dass die Bildung und Wanderung von Versetzungen begünstigt wird. Dadurch konnte der Glattschnittanteil beim Schervorgang gesteigert werden. Weiterhin konnte eine Verbesserung der Scherflächenqualität durch „Einhämmern" erreicht werden. Zudem wird durch die Schwingungsanregung die Schergeschwindigkeit frequentiell erhöht. Die Auswertungen ergaben jedoch, dass nicht allein die Erhöhung der Schergeschwindigkeit die Qualität der Scherflächen verbessert. Durch Versuche auf einer mechanischen Schmiedepresse wurden Schergeschwindigkeiten von 300 mm / s erreicht, doch keine Qualitätssteigerung der Scherflächen gegenüber den in der Knüppelschere gescherten Knüppelabschnitten festgestellt. Häufig sind Schmiedefehler durch einen zu großen Standwinkel ψ bedingt. Der Standwinkel ist der Winkel zwischen idealer Scherfläche (senkrecht zur Längsachse des Knüppelabschnitts) und realer Scherfläche. Bei gleichen Bedingungen (Schergeschwindigkeit, Schneidspalt, Scherwertcstoff, Messergeometrie) konnten bei den Knüppelabschnitten, die mit oszillierendem Schermesser geschert wurden, geringere Standwinkel gemessen werden, als bei den Proben, die ohne Schwingungsanregung geschert wurden. Im Rahmen des bearbeiteten Projektes wurde ermittelt, dass in das Stangenmaterial eingebrachte Schwingungen die Versetzungsdichte erhöhen können. Dieses Phänomen wurde ebenfalls in Blechumformprozesssen festgestellt. Der Prozess des Scherschneidens ist u. a. von der Schergeschwindigkeit abhängig. Eine erhöhte Schergeschwindigkeit verringert durch eine kürzere Scherzeit die plastische Verformung des Knüppels. Somit ist die Vereinzelung des Stangenmaterials mit geringem Werkstofffluss und wenigen Verhärtungen oder Gefügeveränderungen möglich. Dadurch können Scherfehler wie bspw. ein zu großer Einzug oder Standwinkel verringert bzw. vermieden werden. Durch die Verkürzung der Umformzeit kann ferner die Ovalität der Scherfläche verringert werden. Daher sollten die Einsatzmöglichkeiten und -Potenziale beim Hochgeschwindigkeits- und Impulsscheren näher betrachtet werden. Die in den Versuchen venwendete hydraulische Knüppelschere ist mit einer Schergeschwindigkeit von nur 30 mm / s nicht geeignet, um die Einflüsse der Schergeschwindigkeit abschließend zu untersuchen. Die ganzheitliche Überwachung des Scherschneidprozesses ist bisher nicht möglich. Die optische Vermessung der Bauteilgeometrie und die Gewichtsermittlung der Bauteile sind bspw. bisher nicht an die Steuerungen der Knüppelscheren gekoppelt. Einflussfaktoren wie Vorschub oder Schneidspalt werden daher abhängig vom Scherergebnis manuell nachgestellt. Die Kopplung dieser Faktoren mit den Stellgrößen des Scherschneideprozesses zu einem geschlossenen Regelkreis stellt Verbesserungspotential für dieses trennende Verfahren dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sauber gescherte Halbzeuge als Bedingung für das gratlose Präzisionsschmieden. In: MM Maschinenmarkt, Vogel-Buchverlag, o. Jg. (2008), H. 8, S. 122-123
Lücke, M.; Stonis, M.; Nickel, R.
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Schwingungsangeregte Schermesser erhöhen die Scherflächenqualität. In: Stahl und Eisen, Verlag Stahleisen, o. Jg. (2008), H. 10, S. 70-71
Lücke, M.; Stonis, M.
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Erhöhte Scherflächenqualität durch ein oszillierendes Schermesser. In: Schmiedejournal, o. Jg. (2010), H. 1
Lücke, M.; Krause A.; Nickel, R.
