DE10163038B4 - Halbzeug aus duktilem Material mit Sollbruchstellen und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Bandförmiges Halbzeug (1) aus duktilem Material, insbesondere aus Metall, dadurch gekennzeichnet,
– dass seine Dicke maximal 0,5 mm beträgt,
– dass es auf gegenüberliegenden Seiten mindestens ein Paar keilförmiger Nuten (2, 3) in gegenseitig fluchtender Ausrichtung aufweist, und
– dass zwischen den Spitzen (2a, 3a) der keilförmigen Nuten (2, 3) ein Steg (4) vorliegt, dessen Dicke d im Vergleich zur Dicke D des Halbzeuges 5 bis 40% beträgt und so gering ist, dass er durch gegensinnige Ausdenkung der durch das Nutenpaar (2, 3) abgegrenzten Halbzeugbereiche ohne spanende Verformung mit geringem Kraftaufwand abreißbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft Halbzeug aus duktilem Material, vorzugsweise Metall, mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
• Duktile Materialien werden als Halbzeug in großen Mengen und großen Formaten gefertigt, namentlich metallische Werkstoffe. Im Laufe der Fertigung ergibt sich die Notwendigkeit die erforderlichen Geometrien durch Vereinzelung der in Mehrfachbreite oder Mehrfachlänge hergestellten Vorformen zu erreichen. So werden zum Beispiel bandförmige Halbzeuge durch Längs- und Querteilen auf die für den jeweiligen Verwendungszweck erforderliche Breite und/oder Länge konfektioniert. In der Massenfertigung sind dafür größtenteils Schneidverfahren im Einsatz, die nach dem Rollschnittprinzip ausgelegt sind.
• Dabei wird zumeist zum Coil gewickeltes Blechband in Längsteilanlagen in mehrere schmale Bänder oder Bandstreifen geteilt. Das Trennen erfolgt durch verlustfreies Schneiden mit kreisrunden, rotierenden Messern (Kreismessern). Kreismesserscheren mit einer durchgehenden Arbeitswelle werden mit Kreismessern, Rollringen und Distanzhülsen bestückt. Das Verfahren nach dem Stand der Technik zeigt 1.
  [Quelle: Handbuch der Umformtechnik/Schulen GmbH Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1996, S. 286, 4.6.2
• Eine für das spanlose Längsteilen typische Kreismesserschere nach dem Rollschnittprinzip besteht im wesentlichen also aus rotationssymmetrischen Messern, die in dem auf die Dicke des zu teilenden Materials angepassten Abstand auf einem oberen und auf einem unteren Messerbalken befestigt sind oder aber axial auf Messerwellen über und unter dem Band gespannt werden. Die Messer werden axial auf eine bestimmte Schneidluft und vertikal auf eine Eintauchtiefe der Werkzeuge zueinander eingestellt. Diese Werte sind durch die Beschaffenheit des Materials selbst, dessen Dicke und von der angestrebten Ausformung der Schnittkante bestimmt.
• Die Bogenschneide eines Obermessers rollt beim Schneiden dann gegen die Schneide eines Untermessers ab. Ein Teil des Materials wird durch die zusammenwirkenden Messer geschert, die übrige Materialdicke bricht bis zur vollständigen Durchtrennung.
• Für viele Materialien beträgt dieser Bruchanteil, abhängig von Dicke, Härte und Beschaffenheit, ca. 20–40 % der Banddicke. Die Bruchzone entwickelt naturgemäß eine stark aufgeraute Gewaltbruchoberfläche. Ihre Gestalt ist durch den weitgehend freiablaufenden Prozeß des Brechens bestimmt. Form und Maße der Bruchzone weichen daher deutlich von der durch die unmittelbare Einwirkung der Werkzeuge gebildeten Scherzone ab und zwingend läuft die Bruchzone an der ursprünglichen Oberfläche in einen Schneidgrat aus (2).
• Der Schneidgrat ist hochverfestigtes, scharfkantiges Material, das über die Konturen des ideal getrennten Materials hinausreicht. Gestalt und Größe des Grates werden wiederum durch Verfahrensparameter stark beeinflußt.
• Grate sind in jeder Hinsicht unerwünscht. Sie bergen Verletzungsrisiken bei manueller Handhabung. In der Weiterverarbeitung können durch Grate vermehrt unerwünschter Abrieb und Flitter entstehen oder Schädigung an umgebendem Material durch die Schneidwirkung des Grates hervorgerufen werden. In der Anwendung ist der immer an einer Außenkante des Materials liegende Grat grundsätzlich Schwachstelle. Hier beginnt oft die Rißbildung in dynamischen und statischen Belastungsfällen. Bei hohen Anforderungen an die Biegewechselfestigkeit speziell schmaler Materialstreifen bestehen besonders hohe Anforderungen an die Schnittqualität. Eine ungünstige Form der Bandkanten im Scherzonenbereich, die raue Bruchzone und der Schneidgrat beeinträchtigen die Biegewechselfestigkeit besonders stark. Große Anstrengungen werden daher auf die Minimierung der Gratbildung gerichtet und die preiswerte Nachbearbeitung getrennter, grathaltiger Bänder ist von großem Interesse.
• Die undefinierte Gestalt des Bruchanteils der Trennfläche ist ein weiterer Mangel der im übrigen sonst so wirtschaftlich einsetzbaren Rollenmessertechnik. Für verschiedene Anwendungen werden daher statt der preiswerten getrennten bandförmigen Halbzeuge aufwändig durch Überwalzen der Kanten nachgearbeitete Bänder verlangt. Es werden auch alternativ Press-/Ziehprodukte in Drahtform eingesetzt, die von vornherein im gesamten Querschnitt definierte Geometrien besitzen.
• Aus der DE-OS 1 815 380 ist eine Spaltkerbeinrichtung zum gratlosen Trennen von Blechen mittels Einkerbrollen auf beiden Seiten des Bleches entlang der Trennlinie bekannt, wobei die Einkerbrollen bei weicheren und dickeren Blechen auf beiden Eindringseiten einen symmetrischen und bei härteren dünneren Werkstoffen einen asymmetrischen Kerbwinkel aufweisen. Der gesamte Einkerbwinkel ist dabei stets kleiner als 90° und die Einkerbrollen weisen einen solchen Abstand auf, dass eine Kaltverfestigung des verbleibenden Steges eintritt. Den Einkerbrollen nachgeschaltet sind Spaltdrückrollen, die ein Auslenken des Bleches bewirken und damit ein brechen der Kerbstelle verursachen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die Nachteile des Trennens mit der Rollenschnitt-Technik nach dem Stand der Technik zu überwinden, ohne dabei hohe Kosten oder geringere Produktivität zu verursachen. Im Einzelnen sind folgende Teilaufgaben zu lösen:
  Herstellung einer definierten Lage der Bruchzone,
  Vermeidung der Gratbildung, Reduzierung der Abrieb- und Flitterbildung,
  drastische Verringerung des Bruchanteils,
  Vermeidung der durch Bruchanteil und Außenlage des Grates bedingten mechanischen Schwachstelle des getrennten Gutes.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Halbzeug aus duktilem Material, insbesondere Metall, dessen Dichte maximal 0,5 mm beträgt, auf gegenüberliegenden Seiten des Halbzeuges mindestens ein Paar keilförmige Nuten in gegenseitig fluchtender Ausrichtung aufweist und dass zwischen den Spitzen der keilförmigen Nuten ein Steg vorliegt, dessen Dicke d im Vergleich zur Dicke D des Halbzeuges 5 bis 40% beträgt und so gering ist, dass er durch gegensinnige Auslenkung der durch das Nutenpaar abgegrenzten Halbzeugbereiche ohne spanende Verformung mit geringem Kraftaufwand abreißbar ist.
• Die Nuten sind insbes. spanlos geformt. Bei dem Halbzeug handelt es sich vorzugsweise um bandförmiges Material. Die Erfindung läßt sich aber beispielsweise ebenso bei Drähten oder Profildrähten anwenden. Bei beschichteten Bändern mit beispielsweise verzinnter, versilberter oder vernickelter Oberfläche ergibt sich zugleich der Vorteil, dass die Beschichtung der Nutenflanken weitgehend erhalten bleibt.
• Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 19.
• Auf der Grundlage der Funktionsweise von Kreismesserscheren werden durch die Erfindung das Scheren und das Brechen räumlich entkoppelt.
• Es wird vorgeschlagen, zu trennendes Halbzeug aus duktilen Materialien durch plastische, nicht spangebende Umformung in der senkrecht zur späteren Trennlinie und gleichzeitig zur Oberfläche des Halbzeugs senkrecht stehenden Achse vorzugsweise beidseitig und symmetrisch mit keilförmigen Nuten so zu versehen, dass zwischen den Spitzen der beiden einander möglichst genau gegenüberliegenden Nuten ein sehr dünner Steg des zu trennenden Materials verbleibt.
• Es werden rotationssymmetrische Werkzeuge in maschinenbaulichen Anordnungen eingesetzt, wie sie von den herkömmlichen Kreismesserscheren bekannt sind. Für die keilförmigen Längsnuten werden beispielsweise Walzscheiben mit entsprechenden Profilen als Werkzeug eingesetzt. Eine typische Geometrie des Keilprofils weist Keilwinkel von 10–80° auf. Der achsiale und vertikale Versatz der Scheibenkeilspitzen ist minimal zu halten, sodass die engsten für die herkömmlichen Werkzeuge des Präzisionsschneidens realisierbaren Toleranzvorgaben anzuwenden sind.
• Die Dicke des verbleibenden Steges beträgt bei bandförmigen Halbzeug unterhalb von 0,5 mm Dicke vorzugsweise 5 bis 40% der Materialdicke des zu trennenden Materials. Der durch die Verdrängung des Materials aus den Nuten bewirkte Materialfluß in Länge und Breite des Halbzeugs, kann zu Veränderungen der Querschnittskontur des zu trennenden Halbzeuges führen, so daß fallweise zweckmäßig die Nachschaltung einer gebundenen Kaltumformung der in ihrer Formgenauigkeit beeinträchtigen Flächen vorzusehen ist.
• Diese Kaltumformung kann gezielt eingesetzt werden, um in mindestens einem Umformschritt am Ort des Nutenpaares eine nahezu rechtwinklige Kantenausführung zu erreichen.
• Zudem ermöglicht diese Kaltumformung, in den Fällen von Dünnstbändern mit D ≤ 0,2 mm und Folien, bei denen eine definierte Kerbung aufgrund der Toleranzfrage schwierig oder nicht zuverlässig möglich ist, von einem vorgefertigten Band auszugehen, dessen Nuten in mehreren Schritten zwar annähernd zugewalzt werden, dessen Sollbruchstelle aber erhalten bleibt (Anspruch 20).
• Das so vorbereitete Halbzeug wird durch Auslenken der durch die Nuten abgegrenzten Halbzeugbereiche gegeneinander mit geringer Kraft und mit beliebiger Geschwindigkeit in einem weiteren Schritt getrennt.
• Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung des erfindungsgemäßen Halbzeug bzw. der Halbzeugabschnitte gemäß Anspruch 21 bis 26.
• Die getrennten Halbzeugabschnitte haben nach der erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens definiert ausgebildete Außenkanten. Die Bruchfläche liegt immer vollständig in der Fläche der Trennfläche eingebettet, ohne bis auf die ursprüngliche Materialoberfläche zu reichen. Die Ausdehnung der Bruchfläche entspricht der Dicke des durch die jeweils beiden gegenüberliegenden Nuten gebildeten Steges. Sie ist damit um ein Vielfaches kleiner als beim herkömmlichen Schneiden mit Rollenmessern. Ein Grat entsteht bei hinreichender gegenseitig fluchtender Ausrichtung der Nuten beim Durchtrennen des Steges nicht.
• Gegenüber dem Stand der Technik nach 1 und 2 wird die Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels nach 3 bis 5 erläutert. Es zeigt:
• 1 die Längsteilung eines bandförmigen Halbzeugs nach dem Stand der Technik,
• 2 die Gratbildung nach dem Stand der Technik,
• 3 schematisch ein bandförmiges Halbzeug mit erfindungsgemäßen Längsnuten,
• 4 schematisch die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs und das Abtrennen eines Halbzeugsabschnittes davon,
• 5 schematisch einen zum Schlitzrohr eingeformten Halbzeugabschnitt vor der Verschweißung zum Rohr mit Längsnaht,
• 6 detaillierter die Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs im Zusammenhang mit einem Zahlenbeispiel und
• 7 schematisch den Einfluss von Walzschritten auf die Ausbildung eines Nutenpaares bei Erhalt der Sollbruchstelle.
• Das bandförmige Halbzeug 1 der Dicke D nach 3 und 4 weist zwei Paare keilförmiger Längsnuten 2, 3 auf. Die Nuten 2 und 3 haben Spitzen 2a und 3a, sowie Flanken 2b und 3b, zwischen denen der Keilwinkel α gebildet ist. Zwischen den – vorzugsweise mit geringem Versatz – angeordneten Spitzen 2a, 3a erstreckt sich ein dünner Steg 4 der Dicke d.
• Die Nuten 2, 3 werden gemäß 4 mittels oberer und unterer Kerbscheibe 5 (hier ist nur eine obere dargestellt) eingeprägt. Der zwischen den Nuten 2,3 liegende Werkstoff wurde durch den beidseitigen Prägevorgang verfestigt. Der Steg 4 ist dünn und hat zwar erhöhte spezifische Festigkeit, aber die Bruchdehnung des Werkstoffes ist im eng lokalisierten Bereich des Steges 4 stark herabgesetzt. Dadurch ist die Trennbarkeit vorbereitet und erfordert nur geringe Kraft. Durch die Auslenkung der den Nuten 2, 3 benachbarten Bereiche mit den erforderlichen Kräften in Richtung des in 4 eingezeichneten Pfeils wird ein Halbzeugabschnitt 6 abgetrennt.
• Wie angedeutet, weist der Halbzeugabschnitt 6 (beidseitig) nur eine geringfügige Bruchfläche 7 auf.
• Dies geht auch aus der 5 hervor, wo ein solcher Halbzeugabschnitt 6 zu einem Schlitzrohr eingeformt wurde, um zu einem Rohr längsgeschweißt zu werden.
• Zahlenbeispiel:
• Ein Band, der Dicke D = 0,20 mm aus weichgeglühtem SE-Cu 58 wurde durch gegenseitig fluchtende und jeweils 0,080 mm in das Band eintauchende keilförmige Kreismesserspitzen in B = 6 mm breite Streifen (Abschnitte) 6 geteilt. Die Breite der auf einer oberen und auf einer unteren Arbeitswelle axial fest verspannten Kreismesserscheiben 5 war dabei gleich der Bandstreifenbreite B – mit der angeschliffenen Kreismesserspitze in der halben Scheibendicke B/2. Der Keilwinkel des Nutenprofils beträgt α = 20°. Nach dem Verspannen mehrerer Kreismesser 5 auf den (beiden) Arbeitswellen wurden diese im Gerüst auf Flucht und Rundlauf der Messerspitzen 2a und 3a abgerichtet. Durch diesen Abrichtvorgang erfolgte ein leichtes Verrunden der keilförmigen Spitzen 2a/3a auf einen Scheibenspitzenradius ≤ 5 μm.
• Mit dem derart abgerichteten (Keil-)Kreismessersystm und mit Aufbringung eines auf den Bandstreifenquerschnitt ausgerichteten Bremszuges wurden symmetrisch längsgekerbte Bandstreifen 6 erzeugt. Die Stegdicke d betrug d = 30 bis 50 μm, im Mittel also 40 μm entsprechend 20 % der Banddicke D.
• Das so behandelte Coil wurde auf den Abhaspel einer Weiterverarbeitungsmaschine gebracht. Am Coil wurden dann nacheinander auf eine Länge von ca. 1 m von Hand die einzelnen Abschnitte 6 von 6 mm Breite vom Coil getrennt, indem jeweils der äußerste Abschnitt 6 durch Auslenken aus der Bandebene unter leichtem Zug abgerissen wurde. Später untersuchte Proben zeigten eine in etwa mittig verlaufende Bruchzone von im Querschnitt etwa 40 ± 10 μm Dicke. Gratbildung konnte weder im Schliff noch durch Befühlen der Bruchzone festgestellt werden. Die Querschnitte der getrennten Einzelabschnitte 6 zeigten im Rahmen der notwendigen Toleranz keine unzulässige, bleibende plastische Verformung des Bandquerschnittes durch die zum Trennen angewendete Kräfte. Die solchermaßen getrennten Einzelabschnitte 6 wurden in die Weiterverarbeitungsmaschine gefädelt und gemeinsam mit kleiner Spannung, gleichmäßig beschleunigend zur Weiterverarbeitung über Führungsrollen eingezogen, die die notwendige gegensinnige Auslenkung der Einzelabschnitte 6 gegeneinander zum fortlaufenden Abreißen bewirkten.
• In 7 wird schließlich – ausgehend von einem bandförmigen Halbzeug 1 mit keilförmigen Nuten 2, 3 und verbleibendem Steg 4 nach 7a (vgl. 3) – der Einfluß von beispielsweise drei Walzschritten auf die Ausbildung des Nutpaares 2, 3 gezeigt.
• Bereits nach dem ersten Walzschritt (7b) wird am Ort der Nuten 2, 3 eine annähernd rechtwinklige Kantenführung erreicht.
• Nach weiteren zwei Walzschritten sind die ursprünglichen Nuten 2, 3 zwar fast zugewalzt (7c/7d), am Ort der Nuten 2; 3 verbleibt jedoch eine Sollbruchstelle 7.

Claims (24)

1. Bandförmiges Halbzeug (1) aus duktilem Material, insbesondere aus Metall, dadurch gekennzeichnet, – dass seine Dicke maximal 0,5 mm beträgt, – dass es auf gegenüberliegenden Seiten mindestens ein Paar keilförmiger Nuten (2, 3) in gegenseitig fluchtender Ausrichtung aufweist, und – dass zwischen den Spitzen (2a, 3a) der keilförmigen Nuten (2, 3) ein Steg (4) vorliegt, dessen Dicke d im Vergleich zur Dicke D des Halbzeuges 5 bis 40% beträgt und so gering ist, dass er durch gegensinnige Ausdenkung der durch das Nutenpaar (2, 3) abgegrenzten Halbzeugbereiche ohne spanende Verformung mit geringem Kraftaufwand abreißbar ist.
2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2, 3) spanlos geformt sind.
3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Halbzeug beschichtet ist.
4. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) mittig in der durch das Nutenpaar (2, 3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs liegt.
5. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) außermittig in der durch das Nutenpaar (2, 3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs liegt.
6. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (4) in der durch das Nutenpaar (2, 3) definierten Ausdehnung des Halbzeugs eine Randlage einnimmt.
7. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegdicke d = 0,01 bis 0,1 mm beträgt.
8. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein geringer Versatz der Spitzen (2a, 3a) der Nuten (2, 3) besteht.
9. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel α = 0° bis 120° beträgt.
10. Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel α = 10° bis 80° beträgt.
11. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (2b, 3b) der Nuten (2, 3) keine ebenen Flächen sind.
12. Halbzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (2b, 3b) bogenförmige, gewellte, gestufte oder daraus kombinierte Querschnitte aufweisen.
13. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material um Kupferbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde mit dessen handelt.
14. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material um Aluminiumbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde mit dessen handelt.
15. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material um Eisenbasiswerkstoffe oder Werkstoffverbunde mit dessen handelt.
16. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material um Zinkbasiswerkstofte oder Werkstoffverbunde mit dessen handelt.
17. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem duktilen Material um Kunststoff, Keramik oder Werkstoffverbunde mit dessen handelt.
18. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es nach mindestens einer Kaltumformung am Ort der Nuten (2, 3) jeweils eine nahezu rechtwinklige Kantenführung aufweist.
19. Verwendung des Halbzeuges nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 zur Herstellung getrennter Halbzeugabschnitte (6) mit definierten Bruchflächen (7), wobei die Ausdehnung der Bruchflächen (7) in etwa der Dicke d des Steges (4) entspricht.
20. Verwendung nach Anspruch 19 zur Herstellung bandförmiger Halbzeugabschnitte (6) mit den Abmessungen: Dicke D = 10 bis 300 μm, Breite B = 0,5 bis 25 mm.
21. Verwendung der Halbzeugabschnitte (6) nach Anspruch 19 oder 20 zur Herstellung flexibler Flachbandkabel zur Übertragung elektrischer Signale oder zur Übertragung elektrischer Energie.
22. Verwendung der Halbzeugabschnitte (6) nach Anspruch 19 oder 20 zur Herstellung elektromechanischer Bauteile, wie Steckverbinder, Relais, Kontaktfedern oder dergleichen.
23. Verwendung der Halbzeugabschnitte (6) nach Anspruch 19 oder 20 für das Bauwesen, wie für Bedachungen oder Abdeckungen von Fassaden.
24. Verwendung der Halbzeugabschnitte (6) nach Anspruch 19 oder 20 zur Herstellung geschweißter Strukturen, insbesondere von Rohren.