Forschungsberichte

Einfluss der Prozessparameter auf das Feinschneiden von Aluminiumlegierungen

Carsten Fritsch

Veröffentlichungen zu experimentellen Untersuchungen zum Feinschneiden von Aluminiumlegierungen liegen bereits viele Jahre zurück und führten, an heutigen Maßstäben gemessen, nur eingeschränkt zum Erfolg. Zudem beschränkten sich systematische Untersuchungen ausschließlich auf Werkstoffgüten mit sehr guter Umformbarkeit wie Al99,5 oder AlMg3. Diese Werkstoffe kommen jedoch aus Festigkeitsgründen für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, besonders als Ersatz für höherfeste Stahllegierungen, nicht in Betracht. Der Wissensstand über die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mit mittleren bis hohen Festigkeiten war unzureichend. Deshalb werden Schneidversuche mit Hilfe eines Feinschneidwerkzeugs und einer hydraulischen Feinschneidpresse durchgeführt. Diese geben Aufschluss über die Eignung verschiedener Aluminiumlegierungen hinsichtlich der erreichbaren Schnittflächenqualität. Des weiteren findet eine Überprüfung des Einflusses unterschiedlicher Wärmebehandlungszustände der Aluminiumlegierungen auf das Feinschneidergebnis statt. Als Hauptkriterium für die Beurteilung der herzustellenden Bauteile dient die Ausbildung der Schnittfläche, im Speziellen der erreichbare Glattschnittanteil. Die Ergebnisse werden vergleichend mit Untersuchungen anhand einer Standard-Stahllegierung als Referenz dargestellt.

Besondere Bedeutung hinsichtlich des erzielbaren Glattschnittanteils kommt dem vorherrschenden Druckspannungszustand in der Schneidzone zu. Dieser wird beim Feinschneiden im Wesentlichen durch den Zustand der Schneidkanten der Aktivelemente, den Schneidspalt und die Einspannung mit Hilfe von Ringzacke und Gegenhalter erreicht. Die Untersuchungen beinhalten deshalb die Variation dieser Einflußgrößen.

Gegenstand der Untersuchungen ist die Feststellung des Einflusses werkzeug- und halbzeugseitiger Parameter sowie der Gegenhalterkraft auf die Schnittflächenqualität und der Maßgenauigkeit beim Feinschneiden von Aluminiumknetlegierungen im Blechdickenbereich von 2 bis 8 mm. Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse werden Prozessparameter zur Beeinflussung der Werkstückqualität aufgezeigt. Kriterien für die Beurteilung der Bauteilqualität sind der Glattschnittanteil, die Rauheit der Schnittfläche sowie Formabweichungen, wie z.B. Kanteneinzug, Schnittgrat, Schnittflächenkonzität und Bauteildurchbiegung.

Bei der Herstellung eines Werkstücks ist es nicht möglich, das auf der Zeichnung angegebene Nennmaß genau einzuhalten. Es kommt immer zu einer mehr oder weniger großen Abweichung des Istmaßes vom gewünschten Nennmaß. Die durchgeführten Untersuchungen klären, inwieweit unterschiedliche Werkzeugparameter Einfluss auf die Bauteilabmessungen haben.

Die übliche rechnerische Vorherbestimmung der für den Schneidvorgang erforderlichen Ringzackenkräfte ergeben zum Teil überhöhte Werte oder Werte, bei denen die Ringzacke nicht vollständig in den Werkstoff eingedrückt wird. Dies führt zu einer ungenügenden Reproduzierbarkeit der Untersuchungen. Deshalb wird zunächst die Kraft, bei der die Ringzacke gerade vollständig in das Blech eingedrungen ist, für jeden zu untersuchenden Werkstoff ermittelt. So wird sichergestellt, dass die Ringzacke ihre maximale Wirkung erzielt, konstante Versuchsbedingungen herrschen und die Ergebnisse aus den verschiedenen Experimenten vergleichbar sind. Des weiteren werden mögliche Einflüsse auf die erforderliche Ringzackenkraft wie z.B. die Blechdicke, oder die Ringzackenhöhe herausgearbeitet.

Zusätzlich werden Aussagen über die für den Schneidprozess notwendigen Kräfte getroffen. Für eine ausreichende Genauigkeit wird dazu die Stempel-, Ringzacken- und Gegenhalterkräfte im Versuchswerkzeug piezoelektrisch gemessen. Aus diesen Messungen wird beispielsweise die maximal im Werkzeug auftretende Schneidkraft oder der für die Berechnung der erforderlichen Schneidkraft zum Ausschneiden anderer Bauteilgeometrien notwendige Fleißscherfaktor bestimmt.

Allgemein formuliert erleichtert diese Arbeit die Abschätzung der Herstellbarkeit von Bauteilen aus Aluminium und liefert Kenntnisse über die idealen Werkzeugeinstellungen für eine Optimierung der Bauteilqualität und die korrekte Dimensionierung der Werkzeuge und Pressen. Sie ermöglicht die Erweiterung des Einsatzgebietes des Feinschneidens und die Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Fertigungsverfahrens, um es einer breiteren Anwendung zuzuführen.