Zusammenfassung

Das Stanzen von hochfestem Stahl stellt drei primäre ingenieurtechnische Herausforderungen dar: starke rückfedern aufgrund hoher Streckgrenze, schnelle werkzeugverschleiß durch extreme Kontaktbelastungen und gefährliche rücklaufkraft (Snap-Through), die den Presseninneren beschädigen kann. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert einen Wandel von herkömmlichen Praktiken mit Weichstahl hin zu fortschrittlichen Minderungsstrategien, einschließlich spannungsbasierter Simulation zur Kompensation, der Verwendung von Werkzeugstählen aus Pulvermetallurgie (PM) mit speziellen Beschichtungen sowie Servopresstechnologie, um die Energie bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu steuern. Ein erfolgreicher Fertigungsprozess hängt von der Optimierung des gesamten Ablaufs – von der Werkzeugkonstruktion bis zur Schmierung – ab, um die Maßhaltigkeit sicherzustellen, ohne die Lebensdauer der Ausrüstung zu beeinträchtigen.

Herausforderung 1: Federrücklauf und Maßhaltigkeit

Das häufigste Problem beim Stanzen von hochfestem Stahl (AHSS) und hochfesten, niedriglegierten Stählen (HSLA) ist die Federungsrückfederung – die elastische Rückkehr des Metalls nach dem Entfernen der Umformkraft. Im Gegensatz zu Weichstahl, der seine Form relativ gut behält, weist AHSS eine deutlich höhere Streckgrenze auf, wodurch es stark „zurückspringt“. Diese geometrische Abweichung ist nicht einfach eine lineare Rückkehr; sie zeigt sich oft als Kräuseln oder Verwindung der Seitenwände und erschwert so die Maßhaltigkeit bei Präzisionsbauteilen erheblich.

Herkömmliche Versuch-und-Irrtum-Methoden sind für AHSS ineffizient. Stattdessen müssen Ingenieure auf fortschrittliche finiter Elementanalyse (FEA) die auf spannungsbasierten Vorhersagemodellen anstelle einfacher dehnungsbasierter Kriterien beruhen. Die Simulation ermöglicht es den Werkzeugkonstrukteuren, geometrische Kompensationen vorzunehmen – also die Werkzeugoberfläche gezielt überzubiegen oder zu verformen, damit das Bauteil nach der Rückfederung die korrekte Endform annimmt. Allein die Simulation reicht jedoch oft nicht aus, ohne mechanische Eingriffe.

Praktische Prozessanpassungen sind ebenso entscheidend. Techniken wie drehbiegen und die Verwendung von sperrelementen oder „Münznaht“ können dazu beitragen, Spannungen im Material zu fixieren. Laut Der Blechverarbeiter ermöglicht die Nutzung von Servopresstechnologie, um einen „Stillstand“ am Ende des Hubes zu programmieren, wodurch sich das Material unter Last entspannen kann und die elastische Rückfederung erheblich reduziert wird. Dieser Ansatz des „Formstabilisierens“ ist weitaus effektiver als einfaches Crash-Formen, das eine übermäßige Presskraft erfordert und den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Herausforderung 2: Werkzeugverschleiß und Matrizenversagen

Die erhöhte Streckgrenze von AHSS-Werkstoffen – oft über 600 MPa oder sogar 1000 MPa – führt zu enormen Kontaktbelastungen an den Umformwerkzeugen. Diese Bedingungen bergen ein hohes Risiko für Anrisse, Absplitterungen und katastrophalen Werkzeugausfall. Herkömmliche Werkzeugstähle wie D2 oder M2, die für unlegierte Stähle ausreichend funktionieren, versagen bei der Bearbeitung von AHSS häufig vorzeitig aufgrund des abrasiven Charakters des Materials und der hohen Energie, die zur Umformung erforderlich ist.

Um dies zu bekämpfen, müssen Hersteller auf Pulvermetallurgische (PM) Werkzeugstähle . Sorten wie PM-M4 bieten eine hervorragende Verschleißfestigkeit für Hochleistungsläufe, während PM-3V die Zähigkeit bereitstellt, die erforderlich ist, um Spanbildung bei hochbelastenden Anwendungen zu verhindern. Über die Materialauswahl hinaus ist die Oberflächenvorbereitung entscheidend. Wilson Tool empfiehlt den Wechsel von einer zylindrischen Schleifung zu einer geradlinigen Schleifung bei Stanzwerkzeugen. Diese Längsstruktur reduziert die Abziehreibung und minimiert das Risiko von Grübchenbildung während der Rückzugphase.

Oberflächenbeschichtungen sind die letzte Verteidigungslinie. Fortschrittliche physikalische Dampfabscheidungsverfahren (PVD) und thermische Diffusionsbeschichtungen (TD), wie Titan-Carbonitrid (TiCN) oder Vanadiumcarbid (VC), können die Werkzeuglebensdauer im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen um bis zu 700 % verlängern. Diese Beschichtungen bilden eine harte, gleitfähige Barriere, die der extremen Hitze standhält, die durch die Verformungsenergie von hochfestem Stahl entsteht.

Herausforderung 3: Pressenkapazität und Durchbruchlasten

Eine verborgene Gefahr beim Stanzen von hochfestem Stahl ist die Auswirkung auf die Presse selbst, insbesondere im Hinblick auf energieeffizienz und rücklaufkraft (Durchschlagskraft). Mechanische Pressen sind für die Presskraft in der Nähe des unteren Totpunkts ausgelegt, aber die Umformung von AHSS erfordert bereits viel früher im Hub hohe Energie. Wenn das Material bricht (durchbricht), führt die plötzliche Freisetzung der gespeicherten potenziellen Energie zu einer Druckwelle, die rückwärts durch die Pressestruktur läuft. Diese „Durchschlag“-Belastung kann Lager, Pleuelstangen und sogar das Pressegestell zerstören, wenn sie die zulässige Rücklaufpresskraft der Ausrüstung überschreitet (typischerweise nur 10–20 % der Vorwärtskapazität).

Die Minderung dieser Kräfte erfordert eine sorgfältige Auswahl der Ausrüstung und eine präzise Werkzeugkonstruktion. Durch das Versetzen der Stanzlängen und das Anbringen von Scherkanten an den Schneidkanten kann die Durchbruchlast über die Zeit verteilt werden, wodurch der maximale Stoß reduziert wird. Bei schweren strukturellen Bauteilen ist jedoch oft die Presse selbst der Engpass. In solchen Fällen ist eine Zusammenarbeit mit einem spezialisierten Hersteller häufig notwendig, um diese Belastungen sicher bewältigen zu können. Zum Beispiel Die umfassenden Stanzlösungen von Shaoyi Metal Technology umfassen Pressenkapazitäten bis zu 600 Tonnen und ermöglichen so die stabile Produktion von dickwandigen Automobilkomponenten wie Querlenkern und Subrahmen, die kleinere Standardpressen überfordern würden.

Das Energiemanagement ist ein weiterer kritischer Faktor. Wenn eine herkömmliche mechanische Presse abgebremst wird, um Stoßbelastungen zu verringern, sinkt ungewollt auch die verfügbare Schwungradenergie (die proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist), was zum Stillstand der Presse führen kann. Servopressen lösen dieses Problem, indem sie auch bei niedrigen Geschwindigkeiten die volle Energienutzung beibehalten und so einen langsamen, kontrollierten Durchbruch ermöglichen, der sowohl die Werkzeuge als auch den Antriebsstrang der Presse schützt.

Herausforderung 4: Umformgrenzen und Randrissbildung

Mit zunehmender Festigkeit des Stahls nimmt die Duktilität ab. Dieser Kompromiss zeigt sich in randausriss , insbesondere bei Flansch- oder Locherweiterungsoperationen. Die mikrostrukturellen Phasen, die AHSS seine Festigkeit verleihen (wie beispielsweise Martensit), können als Risseinleitstellen wirken, wenn das Material abgescheret wird. Ein üblicher Schneidspalt von 10 % der Materialdicke, der für Baustahl üblich ist, führt oft zu schlechter Kantengüte und anschließenden Brüchen während der Umformung.

Die Optimierung des Werkzeugspalts ist die primäre Gegenmaßnahme. Laut MetalForming Magazine , können austenitische rostfreie Stähle Toleranzen von bis zu 35–40 % der Materialdicke erfordern, während ferritische und zweiphasige Stähle typischerweise 10–15 % oder optimierte „konstruktive Toleranzen“ benötigen, um die verfestigte Zone an der Scherkante zu minimieren. Das Laserschneiden ist eine Alternative für Prototypen, aber für die Serienproduktion verwenden Ingenieure häufig einen Abstechvorgang – einen sekundären Schnitt, der das verfestigte Kantenmaterial vor dem endgültigen Umformprozess entfernt –, um die Kantenduktilität wiederherzustellen und Risse zu verhindern.

Fazit

Das erfolgreiche Stanzen von hochfestem Stahl geht nicht nur darum, mehr Kraft aufzuwenden; es erfordert eine grundlegende Neukonstruktion des Fertigungsprozesses. Von der anwendungsbasierten Simulation zur Kompensation von Federungsrücklauf bis hin zur Nutzung von PM-Werkzeugstählen und servogeregelten Pressen mit hoher Kapazität müssen Hersteller AHSS als eigenständige Werkstoffklasse betrachten. Indem sie proaktiv die physikalischen Aspekte der elastischen Rückfederung, des Verschleißes und der Bruchmechanik berücksichtigen, können Verarbeiter leichtere und stärkere Bauteile fertigen, ohne unzumutbar hohe Ausschussraten oder Schäden an der Ausrüstung in Kauf nehmen zu müssen.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist die größte Herausforderung beim Stanzen von hochfestem Stahl?

Die größte Herausforderung ist typischerweise rückfedern , bei dem sich das Material nach dem Entfernen der Umformkraft elastisch wieder in seine ursprüngliche Form zurückverformt. Dies erschwert die Einhaltung enger Maßtoleranzen und erfordert fortschrittliche Simulations- und Werkzeugkompensationsstrategien, um Korrekturen vorzunehmen.

2. Wie reduziert man den Werkzeugverschleiß beim Stanzen von AHSS?

Der Werkzeugverschleiß wird durch den Einsatz von pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen (PM, wie PM-M4 oder PM-3V) verringert, die eine höhere Zähigkeit und bessere Verschleißfestigkeit bieten. Zusätzlich sind die Anwendung fortschrittlicher Beschichtungen wie PVD oder TD (Thermische Diffusion) sowie die Optimierung der Stempelschliff-Richtung (longitudinal vs. zylindrisch) entscheidende Maßnahmen, um die Standzeit des Werkzeugs zu verlängern.

3. Warum ist Rückstoßkraft gefährlich für Stanzpressen?

Rückstoßkraft, auch Snap-Through genannt, tritt auf, wenn das Material bricht und die im Pressenrahmen gespeicherte Energie plötzlich freigesetzt wird. Diese Druckwelle erzeugt eine rückwärts gerichtete Kraft an den Verbindungspunkten. Übersteigt diese Kraft die Nennlast der Presse (üblicherweise 10–20 % der Vorwärtskraft), kann dies zu katastrophalen Schäden an Lagern, Kurbeln und der Pressenstruktur führen.