Die Wissenschaft: Reibung und Hitze beim Metallstanzen

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Als ich kürzlich in einer Metallstanzanlage war, wollte mir einer der Werkzeugingenieure einen Tiefziehprozess zeigen, der seiner Meinung nach alles übertraf, was er über die Grundlagen der Metallumformung gelernt hatte. Er bemerkte sogar, dass viele der Informationen, die er erhalten habe, aus Artikeln stammten, die ich für das STAMPING Journal geschrieben hatte. Er erklärte, dass die Matrize nur dann eine gute Leistung erbringen würde, wenn die Schmierung des Rohlings sehr gering sei und der Pressenstößel sich sehr schnell bewege. Dies war für ihn ziemlich verwirrend, da seine persönlichen Erfahrungen mit anderen Ziehvorgängen und die Informationen, die er aus seiner Forschung erhielt, typischerweise darauf hindeuteten, dass für ein erfolgreiches Tiefziehen mehr Schmiermittel und langsamere Stößelgeschwindigkeiten erforderlich sind. Wie konnte das sein?

Anschließend bewies er, was er mir über dieses Tool erzählt hatte. Tatsächlich würde das Teil platzen, wenn er mehr Gleitmittel hinzufügte; Wenn er die Stößelgeschwindigkeit verlangsamte, spaltete sich das Teil.

Wenn Sie meine Artikel in den letzten 20 Jahren gelesen haben, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass ich viele „Wieselphrasen“ verwende: Normalerweise stelle ich meinen Aussagen „allgemein“ oder „in den meisten Fällen“ oder „bei weitem“ voran. Das liegt nicht daran, dass es mir an Vertrauen in meine Aussagen mangelt, sondern daran, dass ich gelernt habe, dass Absolutes beim Blechstanzen selten ist. Natürlich halten wir uns an Richtlinien und Grundprinzipien, aber das sind nur Richtlinien, keine absoluten Regeln. Tatsächlich lautet die einzige absolute Regel: „Es gibt keine absoluten Regeln.“

Allgemeine Richtlinien dienen als Grundlage für die meisten, aber nicht alle Metallumform- und -schneidvorgänge. Um eine gute datenbasierte Entscheidung zu treffen, müssen Sie alle Variablen umfassend verstehen und sich nicht nur auf die Richtlinien verlassen.

In meinen Artikeln und Konferenzen bringe ich Teilnehmern und Lesern gerne bei, sich das Material, das sie formen, dehnen oder schneiden, als Silly Putty vorzustellen. Eines der interessanten Verhaltensweisen dieser Spielzeugverbindung besteht darin, dass sie bricht, wenn man schnell daran zieht, aber wenn man langsam daran zieht, dehnt sie sich.

Die meisten Materialien verhalten sich beim Tiefziehen oder Strecken ähnlich. Dies erklärt, warum komplexe Tiefziehteile wie Waschbecken, Badewannen und Schubkarren meist in langsameren hydraulischen Pressen hergestellt werden. Die übermäßige Geschwindigkeit einer typischen mechanischen Presse mit Kurbelantrieb führt häufig zu Rissen, da das Material Zeit zum Fließen benötigt.

Entscheidend ist der Punkt, an dem der Stempel beim Tiefziehen das Material berührt. An diesem Punkt des Pressenhubs wird das Material gezwungen, von der Geschwindigkeit Null auf einen Wert zu gelangen, der der Geschwindigkeit des Stößels entspricht – und zwar in null Zeit. Wenn nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, um den Metallfluss einzuleiten, kommt es zu einer übermäßigen Dehnung und möglicherweise zu einer Spaltung.

Metallschneiden hingegen geht in der Regel schnell vonstatten. Stellen Sie sich Metallschneiden als eine Metallumformung bis zum Bruch vor. Beim Metallschneiden soll das Material versagen, daher sind hohe Geschwindigkeiten wünschenswert.

Bei allen Schneid- und Umformvorgängen von Metall entstehen Wärme und Reibung. Die erzeugte Menge ist ein Produkt vieler Variablen, einschließlich der Materialart und -dicke, der Umformgeometrie, der Art des Werkzeugstahls, der Reibung zwischen dem Blechmaterial und der Matrize, der Umformgeschwindigkeit, der Umformschwere des Merkmals und dem Verhalten des Schmiermittels.

Hitze. Hitze kann bei einem Prägevorgang ein Freund oder ein Feind sein. Eine Erhöhung der Wärme kann die Duktilität und Leistung des zu formenden Materials verbessern. Aus diesem Grund müssen einige Matrizen aufgewärmt werden, um eine angemessene Leistung zu erzielen. Was tun Sie, wenn Sie ein großes Stück Winkeleisen biegen möchten? Wenn man es erhitzt, lässt es sich leicht biegen.

ABBILDUNG 1. Viele Schmierstoffadditive reduzieren den Reibungskoeffizienten drastisch, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, während andere bei niedrigeren Temperaturen besser funktionieren.

Dasselbe Prinzip gilt auch für die Metallumformung. Tatsächlich ist es die Grundlage für den Heißprägeprozess. In manchen Fällen kann übermäßige Hitze jedoch dazu führen, dass Teile aus Werkzeugstahl beschädigt werden und Schmiermittel nicht mehr richtig funktionieren oder abbrennen. In der Folge kann es zu Werkzeugschäden wie Abrieb kommen, die zu Rissen und vorzeitigem Werkzeugausfall führen können.

Reibung. Schmierstoffe enthalten Zusatzstoffe, die auf Hitze reagieren. Viele Additive reduzieren den Reibungskoeffizienten drastisch, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, während andere bei niedrigeren Temperaturen besser funktionieren (siehe Abbildung 1). Schmierstoffe, die Hochtemperaturzusätze wie Schwefel enthalten, funktionieren am besten, wenn die Reibung und die erzeugte Wärme hoch sind. Bei niedrigeren Temperaturen funktionieren sie jedoch nicht gut. Wenn also die Betriebstemperatur des Schwefelzusatzes nicht erreicht wird, ist die Reibung in der Matrize hoch. Dies führt zu niedrigen Metallflusswerten, was zu einer stärkeren Dehnung und damit zu einem möglichen Versagen führt.

Obwohl ich mir nie die Zeit genommen habe, es zu beweisen, vermute ich, dass das Teil des Werkzeugingenieurs aufgrund von vier Faktoren bei höheren Umformgeschwindigkeiten nicht gespalten ist:

Aufgrund der zahlreichen Variablen beim Formen und Schneiden von Blechen haben wir eher Richtlinien als absolute Werte. Aus diesem Grund ist es wichtig, ein umfassendes Verständnis der Physik hinter der Metallformung und dem Metallschneiden zu haben, anstatt sich auf Stammeswissen zu verlassen, das von Generation zu Generation weitergegeben wird.