Wesentliche Grundsätze der Gestaltung von Schneid- und Stanzwerkzeugen

Zusammenfassung

Die Gestaltung von Scherschneid- und Stanzwerkzeugen ist eine spezialisierte Ingenieurdiziplin, die auf die Entwicklung robuster Presswerkzeuge für das präzise Schneiden und Stanzen von Blechen ausgerichtet ist. Der Erfolg hängt von genauen Berechnungen der Schneitkräfte, der strategischen Auswahl von Werkzeugwerkstoffen und fortschrittlichen Konstruktionsmethoden ab. Die Hauptziele bestehen darin, Materialspannungen effektiv zu steuern, saubere Schnitte mit minimalen Graten zu gewährleisten und die Nutzungsdauer sowie Genauigkeit des Werkzeugsystems zu maximieren.

Grundlagen von Scherschneid- und Stanzvorgängen

In der Blechbearbeitung sind Scherschneiden und Stanzen grundlegende Trennverfahren, die die endgültige Geometrie eines Teils bestimmen. Obwohl sie oft mit ähnlichen Verfahren zusammengefasst werden, erfüllen sie unterschiedliche Funktionen. Beim Scherschneiden wird überschüssiges Material von der Außenkante eines gestanzten Teils entfernt, um dessen endgültiges Profil zu erreichen. Beim Stanzen hingegen werden innere Merkmale wie Löcher oder Schlitze erzeugt, indem Material innerhalb des Bauteilumrisses herausgestanzt wird. Beide Verfahren beruhen auf einer Scherkraft, bei der extreme Spannungen entlang der Schneidkanten eines Stempels und eines Gegenstempels konzentriert werden, wodurch das Material sauber bricht.

Die Qualität einer mechanisch geschnittenen Kante wird durch vier Zonen charakterisiert: Umlauf, Glanzfläche, Bruchzone und Grate. Wie in Leitfäden detailliert beschrieben, AHSS Guidelines , die ideale Kante für hochfeste Stähle weist eine deutliche Glattzone und eine gleichmäßige Bruchzone auf, was entscheidend ist, um Risse bei nachfolgenden Umformoperationen zu vermeiden. Das Verständnis dieser Grundlagen ist der erste Schritt hin zur Entwicklung eines Werkzeugs, das konsistente, hochwertige Bauteile erzeugt.

Um ihre Funktionen klarzustellen, ist es hilfreich, diese Verfahren mit anderen gängigen Schneidprozessen zu vergleichen. Das Stanzen ist dem Durchlochen ähnlich, wobei jedoch das ausgestanzte Material (der Slug) das gewünschte Bauteil darstellt, während beim Durchlochen der Slug als Ausschuss gilt. Scheren ist ein allgemeinerer Begriff für das Schneiden von Blech entlang einer geraden Linie zwischen zwei Schneiden. Jedes Verfahren wird je nach gewünschtem Ergebnis und seiner Position innerhalb der Fertigungssequenz ausgewählt.

Grundprinzipien des Werkzeugdesigns und wichtige Berechnungen

Ein effektives Werkzeugdesign ist ein datengestützter Prozess, der auf ingenieurtechnischen Grundlagen beruht. Bevor mit der Modellierung begonnen wird, müssen Konstrukteure entscheidende Berechnungen durchführen, um sicherzustellen, dass das Werkzeug den Betriebskräften standhält und zuverlässig in der gewählten Presse funktioniert. Die grundlegendste Berechnung betrifft die Schneidkraft, die die erforderliche Presskraft (Tonnage) bestimmt. Die Formel wird allgemein wie folgt ausgedrückt: Schneidkraft (F) = L × t × S , wobei 'L' die gesamte Länge des Schnittumfangs, 't' die Materialdicke und 'S' die Scherfestigkeit des Materials ist.

Die genaue Bestimmung der Schneidkraft ist entscheidend für die Auswahl einer Presse mit ausreichender Presskraft, üblicherweise mit einer Sicherheitsmarge von 20–30 %. Ein weiterer kritischer Faktor ist der Matrizenabstand – der Spalt zwischen Stempel und Matrizenöffnung. Wie in einer umfassenden Anleitung von Jeelix beschrieben, liegt der optimale Abstand typischerweise bei 5–12 % der Materialdicke pro Seite. Unzureichender Abstand erhöht die Schneidkraft und den Werkzeugverschleiß, während ein zu großer Abstand zu starken Graten und einer schlechten Schnittkantenqualität führen kann. Bei hochfesten Stählen (AHSS) müssen diese Abstände oft vergrößert werden, um die höheren Spannungen bewältigen zu können.

Die Werkstoffauswahl für die eigentlichen Matrizenbestandteile ist ein weiteres zentrales Prinzip. Stempel und Matrizen-Einsätze müssen eine Balance zwischen Härte für Verschleißfestigkeit und Zähigkeit aufweisen, um Spanen unter Belastung zu verhindern. Häufig verwendete Werkstoffe sind D2- und A2-Werkzeugstähle für allgemeine Anwendungen, während bei Hochleistungsproduktion oder der Bearbeitung abrasiver Materialien pulvermetallurgische Stähle oder Hartmetalle erforderlich sein können. Der Auswahlprozess erfordert einen Kompromiss zwischen Kosten und Leistung, um die Lebensdauer der Matrize zu maximieren und die Wartungsstillstandszeiten zu minimieren. Bei komplexen Anwendungen, wie im Automobilsektor, ist die Einholung von Fachkenntnissen entscheidend. Unternehmen wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. spezialisieren sich auf Automotive-Stanzwerkzeuge und nutzen fortschrittliche Simulationen sowie Werkstoffkenntnisse, um robuste und effiziente Werkzeuglösungen bereitzustellen.

Aufbau eines Schneid- und Lochstanzwerkzeugs

Ein Werkzeug ist kein monolithischer Stahlblock, sondern eine präzise Baugruppe aus miteinander verbundenen Komponenten, von denen jede eine spezifische Funktion erfüllt. Das Verständnis dieser Anatomie ist entscheidend für die Konstruktion, Herstellung und Wartung effektiver Werkzeuge. Die gesamte Baugruppe ist in einem Werkzeugsatz untergebracht, der aus einer oberen und einer unteren Werkzeugplatte (oder Platte) besteht, die durch Führungsstifte und Buchsen ausgerichtet werden. Dieses grundlegende System gewährleistet eine mikrometergenaue Ausrichtung zwischen der oberen und der unteren Hälfte des Werkzeugs während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs, was entscheidend ist, um Schäden zu vermeiden und die Bauteil-Konsistenz aufrechtzuerhalten.

Die primären Arbeitskomponenten sind der Stempel und der Matrizenblock (oder die Matrizenscheibe/Einlage). Der Stempel, der am oberen Matrizenhalter befestigt ist, stellt die männliche Komponente dar, die den Schneidvorgang ausführt. Der Matrizenblock, der am unteren Halter montiert ist, ist die weibliche Komponente mit einer Öffnung, in die der Stempel eindringt. Die präzise Geometrie und der Spielraum zwischen diesen beiden Teilen bestimmen die endgültige Form des gestanzten Lochs oder der beschnittenen Kante. Material, Härte und Oberflächenbeschaffenheit sind entscheidend für die Standzeit des Werkzeugs und die Qualität des Bauteils.

Ein weiteres entscheidendes Bauteil ist der Auswerfer. Nachdem ein Stempel durch das Material geschnitten hat, führt die elastische Rückfederung des Blechs dazu, dass es am Stempel haften bleibt. Die Funktion des Auswerfers besteht darin, das Material beim Aufwärtshub der Presse gewaltsam vom Stempel zu lösen. Auswerfer können fest oder federbelastet sein, wobei letztere einen Druck ausüben, um das Material während des Schneidvorgangs flach zu halten und somit die Flachheit des Teils zu verbessern. Bei Progressivwerkzeugen sind außerdem Führungsstifte (Piloten) unerlässlich. Dabei handelt es sich um Stifte, die in zuvor gestanzte Löcher des Bandes eingreifen, um eine präzise Ausrichtung an jeder nachfolgenden Station sicherzustellen.

Wartungscheckliste für Werkzeugelemente:

• Stempel und Matrizen Schneidkanten regelmäßig auf Abrundungen, Absplitterungen oder übermäßigen Verschleiß untersuchen. Bei Bedarf schärfen, um einen sauberen Schnitt zu gewährleisten und die Schneidkraft zu verringern.
• Führungsbolzen und Buchsen: Stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß geschmiert sind, und prüfen Sie auf Anzeichen von Kaltverschweißung oder Verschleiß. Abgenutzte Führungselemente können zu Fehlausrichtungen und katastrophalen Werkzeugstößen führen.
• Abstreiferplatte: Überprüfen Sie, ob die Federn (falls zutreffend) ausreichenden Druck aufweisen und nicht gebrochen sind. Prüfen Sie die Kontaktfläche auf Verschleiß.
• Werkzeugsatz: Prüfen Sie die Matrizenfüße auf Risse oder Beschädigungen. Stellen Sie sicher, dass alle Befestigungselemente gemäß der vorgeschriebenen Drehmomentvorschrift angezogen sind.
• Allgemeine Sauberkeit: Halten Sie die Werkzeuge frei von Ausschussstücken, Spänen und anderem Schmutz, die Teilfehler oder Beschädigungen an den Werkzeugen verursachen können.

Fortgeschrittene Techniken und Materialien im Werkzeugdesign

Über grundlegende Prinzipien hinausgehend konzentriert sich das fortgeschrittene Werkzeugdesign darauf, die Leistung zu optimieren, schwierige Materialien zu verarbeiten und die Standzeit bei Hochleistungsproduktion zu verlängern. Eine der bedeutendsten Weiterentwicklungen ist der Einsatz von Folgeverbundwerkzeugen, die mehrere Operationen (z. B. Stanzen, Schneiden, Biegen) nacheinander an verschiedenen Stationen innerhalb eines einzigen Werkzeugs durchführen. Wie Experten von Eigen Engineering erklären, erfordert die Beherrschung des Folgeverbundwerkzeug-Designs eine ausgeklügelte Planung der Bandanordnung, um die Materialausnutzung zu maximieren und die Stabilität des Bandes während des Fortschritts durch das Werkzeug sicherzustellen.

Um eine außergewöhnliche Teileflachheit zu erreichen, werden Techniken wie Feinschneiden und Cut-and-Carry angewendet. Feinschneiden ist ein spezielles Verfahren, bei dem ein Hochdruckkissen und ein V-Ring das Material fest einspannen, wodurch ein vollständig abgeschertes, gerandetes Teil mit praktisch keiner Bruchzone entsteht. Ähnlich verfährt die Cut-and-Carry-Methode, beschrieben von Der Blechverarbeiter , bei der das Teil teilweise durch den Bandzug geschnitten und flach mit einem Druckkissen gehalten wird, bevor es an einer späteren Station ausgestoßen wird. Diese Kontrolle über das Material während des Schneidens minimiert die inneren Spannungen, die Verzug verursachen.

Die Konstruktion für hochfeste Stähle (AHSS) bringt aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringeren Duktilität besondere Herausforderungen mit sich. Dies erfordert größere Matrizenabstände, robustere Werkzeugstrukturen und hochwertige Werkzeugwerkstoffe wie pulvermetallurgische Stähle oder Hartmetalle, um den extremen Kräften und abrasiven Verschleißerscheinungen standzuhalten. Zudem kann die Geometrie der Stempel verändert werden, um Spitzenkräfte und Stoßbelastungen zu reduzieren. Durch eine abgeschrägte oder abgestufte Schneidkante wird der Schneidvorgang über einen leicht längeren Zeitraum verteilt, wodurch die erforderliche Kraft deutlich sinkt und der heftige "Durchbruch-Effekt" minimiert wird, der sowohl die Matrize als auch die Presse beschädigen kann.

Progressive Matrizen im Vergleich zu Einzelstation-Matrizen

• Vorteile progressiver Matrizen: Sehr hohe Produktionsgeschwindigkeit, geringere Arbeitskosten, hohe Wiederholgenauigkeit und Zusammenfassung mehrerer Operationen in einem Werkzeug.
• Nachteile progressiver Matrizen: Sehr hohe anfängliche Werkzeugkosten, komplexer Konstruktions- und Fertigungsprozess sowie geringere Flexibilität bei großen oder tiefgezogenen Teilen.
• Vorteile von Einzelstation-Matrizen: Geringere Werkzeugkosten, einfachere Konstruktion und größere Flexibilität bei Kleinserien oder sehr großen Teilen.
• Nachteile von Einzelstationen-Werkzeugen: Viel langsamere Produktionsgeschwindigkeit, höhere Arbeitskosten pro Teil und potenzielle Unbeständigkeiten aufgrund wiederholter Handhabung und Positionierung.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist die Formkonstruktionsregel?

Obwohl es keine einzige strikte „Regel“ gibt, folgt die Werkzeugkonstruktion einem Satz etablierter Prinzipien. Dazu gehören die Berechnung der Schneidkräfte basierend auf den Materialeigenschaften, die Festlegung der richtigen Stanzstempel-Schneidring-Spielbreite (typischerweise 5–12 % der Materialdicke pro Seite), die Gewährleistung der strukturellen Steifigkeit des Werkzeugs und die Planung einer logischen Abfolge von Operationen in der Bandlayoutgestaltung. Das übergeordnete Ziel ist es, ein Werkzeug zu schaffen, das sicher, zuverlässig ist und Teile produziert, die durchgängig die Qualitätsvorgaben erfüllen.

2. Was ist die Trim-Tool-Druckgussform?

Ein Entgratwerkzeug beim Druckguss erfüllt einen ähnlichen Zweck wie ein solches bei der Blechumformung, arbeitet jedoch mit einer anderen Art von Bauteil. Nachdem ein Teil durch Druckguss (Einspritzen von geschmolzenem Metall in eine Form) hergestellt wurde, weist es überschüssiges Material wie Angüsse, Überläufe und Grat auf. Ein Schneidewerkzeug ist ein Werkzeug, das in einem nachgeschalteten Pressvorgang verwendet wird, um dieses unerwünschte Material abzuscheren und so ein sauberes, fertiges Gussteil zu erhalten.

3. Was ist die Stahlregel für das Stanzen?

Das Stanzen mit Stahlregel ist ein anderes Verfahren, das typischerweise für weichere Materialien wie Papier, Pappe, Schaumstoff oder dünne Kunststoffe verwendet wird. Dabei wird eine scharfe, dünne Stahlklinge (die „Stahlregel“), die in die gewünschte Form gebogen und in eine flache Unterlage (häufig Sperrholz) eingebettet ist, in das Material gedrückt. Es handelt sich um eine kostengünstige Methode zum Ausschneiden von Formen bei nichtmetallischen Anwendungen oder sehr dünnem Blech.

4. Welche Arten des Stanzens gibt es?

Das Stanzen umfasst mehrere Verfahren, die auf unterschiedliche Materialien und Produktionsmengen zugeschnitten sind. Bei Blech bezieht es sich hauptsächlich auf Umformvorgänge wie Lochung, Ausstanzung und Beschneiden mithilfe von Hartwerkzeugen (Stempel- und Matrizen-Sets). Andere Formen sind das Flachbett-Stanzen (für dickere Materialien), das Rotationsschneiden (für Hochgeschwindigkeitsproduktion von Etiketten oder Dichtungen) sowie digitale Schneidverfahren wie Laser- oder Wasserstrahlschneiden, bei denen keine physische Schneidform verwendet wird.