Verständnis der Leistung von Stanzeinsätzen für leichte Automobilstrukturteile

Aug 22, 2023

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Angesichts des aktuellen Trends in der Transportbranche, sowohl das Fahrzeuggewicht als auch den gesamten Rohstoffverbrauch zu reduzieren, stanzen immer mehr Zulieferer Leichtbaumaterialien, insbesondere Aluminiumlegierungen. Für diese Hersteller ist es wichtig, die Leistung der Stanzeinsätze zu verstehen, die sie für diese Materialien verwenden.

Da die Belastungen an den Kanten von Stanzeinsätzen bei Stanzvorgängen typischerweise am höchsten sind und die Fließspannung des gescherten Blechs deutlich übersteigen, unterliegen diese Werkzeuge möglicherweise einem stärkeren Verschleiß als andere Teile der Stanzwerkzeuge. Und abgenutzte Werkzeuge können zu Graten an den Kanten gestanzter Teile führen, zu Partikeln aus gestanztem Blech, die sich durch die Oberflächen von Stanzwerkzeugen ausbreiten, und zu Kantenrissen an gestanzten Bauteilen, an denen die gescherte Kante gedehnt wurde.

Hersteller müssen die möglichen Fehlerarten verstehen und die Kombinationen von Matrizenmaterialien und Oberflächenbehandlungen identifizieren, die bei der Stanzproduktion gut funktionieren und die Verschlechterung der Stanzeinsätze minimieren.

Forscher am Oakland University Center of Advanced Manufacturing and Materials untersuchten kürzlich das Verhalten von Stanzeinsätzen beim Stanzen von Blechen aus der Aluminiumlegierung AA5754, die typischerweise für leichte Automobilstrukturteile verwendet werden. Sie verglichen unbeschichtete M2-Einsätze mit M2-Einsätzen, die mit Ionbond 42 (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H), ZrN, Tetrabond Plus (ta-C) und Tetrabond (ta-C) beschichtet waren. In dieser Studie wurde das U-Biege-Stanzverfahren eingesetzt, das sowohl Scher- als auch Streckbiegevorgänge umfasste und es den Forschern ermöglichte, die Leistung von Stanz- und Formeinsätzen zu untersuchen.

Das Design des progressiven Stempels, der zum Prägen der U-Biegecoupons verwendet wird, ist in Abbildung 1 dargestellt und wird im Abschnitt „Erkennung des Beginns von Abrieb beim Stanzen von Aluminiumblechen“ erläutert. Teile des Umfangs wurden nacheinander aus dem Spulenmaterial ausgestanzt, während es durch die progressive Matrize floss; Dann wurden Zieheinsätze verwendet, um den letzten Teil der Kante zu schneiden und den U-Biegeteil zu formen.

Mit Stanzeinsätzen aus M2-Werkzeugstahl wurden vier verschiedene Bereiche des Umfangs geschnitten. Mit diesem Ansatz wurden vier verschiedene Stanzeinsatzkonfigurationen gleichzeitig untersucht und basierend auf ihrer rechten oder linken Position benannt: LH-out, LH-in, RH-in und RH-out.

Um die auf der Stempeloberfläche auftretenden Veränderungen zu verstehen, haben die Forscher die Rauheit der Einsätze vor und nach dem Test mit einem optischen berührungslosen Profilierungssystem Modell ContourGT-K von Bruker gemessen. Die Messungen wurden mit der Bruker Vision64-Software verarbeitet. Die Rauheit wurde als Sa-Wert berechnet, der ein absoluter Wert des Höhenunterschieds jedes Punktes im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche ist, unter Verwendung der Gleichung in Abbildung 2.

Nach dem Test wurde die Oberflächenrauheit im Bereich sichtbarer Abnutzung gemessen. Die Rauheit wurde für den rauesten Bereich der Stanzeinsätze angegeben und korrelierte mit der Gesamtzahl der Teile, die mit jedem der untersuchten Einsätze gestanzt wurden.

Die Einsätze wurden in Gruppen getestet: rechts außen, rechts innen, links außen und links innen. Abbildung 3 zeigt eine Liste der Testkombinationen und die Anzahl der mit diesen Einsätzen hergestellten Teile.

Mit den Einsätzen 1 bis 4 wurden 50.000 U-Bogenteile gestanzt. Bei den beschichteten Einsätzen wurde eine Oberflächenrauheit beobachtet, die sich bei den unbeschichteten Einsätzen jedoch um mehr als das Vierfache erhöhte. Bilder der Stanzeinsätze 1 bis 4 nach den 50.000 Stanzteilen sind in Abbildung 4 von beiden Seiten des Stempels dargestellt. Die unbeschichteten Einsätze weisen Anzeichen von Abrieb auf.

ABBILDUNG 1. Dies ist eine schematische Darstellung der progressiven Matrize, die zum Stempeln der U-Bond-Coupons verwendet wird.

Mit Einsatz 5 (ZrN) wurden nur 9.000 Teile gestanzt. Seine Rauheit nahm erheblich zu und es zeigte sich auf beiden Seiten deutliche Anzeichen von Abrieb. Mit den Einsätzen 6 bis 8 (Tetrabond Plus, Tetrabond und Ionbond 42) wurden jeweils 150.000 Teile gestanzt. Sie zeigten einen geringeren Rauheitsanstieg als die unbeschichteten Stempel, mit denen 50.000 Teile gestanzt wurden. Abbildung 5 zeigt die Stanzeinsätze 5 bis 8 nach dem Prägen, von beiden Seiten jedes Stempels.

Basierend auf ihrem Vergleich der Oberflächenrauheit von Stanzeinsätzen vor und nach dem Scheren des Umfangs von 2,5 mm dicken AA5754-Teilen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Verschleißleistung der mit Ionbond 42, Tetrabond und Tetrabond Plus beschichteten Stanzeinsätze besser war der unbeschichteten Stanzeinsätze. Diese beschichteten Einsätze wiesen nach 150.000 Prägezyklen keine nennenswerten sichtbaren Anzeichen von Abnutzung oder Abrieb auf und zeigten einen eher moderaten Anstieg der Oberflächenrauheit.

Sie stellten außerdem fest, dass die ZrN-Beschichtung nicht zum Stanzen von Blechen aus der Aluminiumlegierung AA5754 geeignet ist, da der beschichtete Stempel nach 9.000 Stanzzyklen erhebliche Abnutzungserscheinungen und Veränderungen in der Oberflächenrauheit aufwies.

Dieses Forschungsprojekt wurde zum Teil vom United States Council for Automotive Research mit Beiträgen von Novelis Corp. finanziert, das eine Spule aus 5754-Aluminiumlegierung bereitstellte; Moeller Precision Tool Co., das alle Stanzeinsätze für diese Studie hergestellt hat; und Ionbond LLC, das für die Beschichtung der getesteten Einsätze sorgte.