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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Werkstückes entlang einer Trennlinie.
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Nach DIN 8580 zählen alle Verfahren, in denen die Form eines Werkstückes durch die Aufhebung des Werkstoffzusammenhaltes an der Bearbeitungsstelle geändert wird, zu den Trennverfahren. Insbesondere in der Blechbearbeitung gehört das Scherschneiden aufgrund seiner hohen Produktivität zu den am häufigsten angewandten Trennverfahren und hat daher eine große wirtschaftliche Bedeutung. DIN 8588 legt fest: Scherschneiden ist Zerteilen von Werkstoff zwischen zwei Schneiden, die sich aneinander vorbeibewegen und bei dem der Werkstoff voneinander abgeschert wird. Die in der Definition des Scherschneidens erwähnten Schneiden werden im Folgenden als Schneidstempel und Schneidmatrize bezeichnet. Zum Trennen des Werkstoffes ist ein Schneidspalt zwischen Schneidstempel und Schneidmatrize erforderlich. Er ist nach VDI 2906 der gleichmäßige Abstand zwischen den Schneidkanten von eingetauchtem Schneidstempel und Schneidmatrize.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene werkzeugbauliche Ausführungen zum Scherschneiden eines Werkstückes W bekannt, die in 2a bis 2f einander schematisch gegenübergestellt sind. Dabei sind die Scherschneidwerkzeuge jeweils in einer Phase nach dem Eintauchen des Schneidstempels 3 in den Werkstoff des Werkstückes W dargestellt. In dieser Phase wachsen die Spannungen im Bereich der Schneidkanten an, bis schließlich der Werkstoff in Richtung der Stempelbewegung zu fließen beginnt.
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2a zeigt den einfachsten Werkzeugaufbau für ein Scherschneidwerkzeug. Das zu schneidende Werkstück W wird hierbei auf eine Schneidmatrize 4 gelegt, die eine Stempelausnehmung 5 aufweist. Ein querschnittskonstanter Schneidstempel 3 bewegt sich nach unten und taucht in die Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 ein. Die Schneidkanten von Schneidstempel 3 und Schneidmatrize 4 bewegen sich parallel aneinander vorbei und trennen dabei das Werkstück W entlang einer geschlossenen Schnittlinie (Trennline TR). Beim Ausschneiden ist das vom Schneidstempel 3 durch die Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 gedrückte Werkstückteil das gewünschte Schnittteil. Der Rest des Werkstückes W bleibt in Form eines Rands oder Gitterstreifens als Abfall zurück. Beim Lochen wird hingegen eine Innenform am Werkstück W erzeugt. Das ausgeschnittene, durch die Schneidmatrize 4 nach unten fallende Werkstückteil ist der Abfall (Butzen).
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In 2b ist dem Schneidstempel 3 gegenüberliegend ein Gegenhalter 13 (bzw. Auswerfer) in der Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 zugeordnet. Durch das Zusammenwirken von Schneidstempel 3 und Gegenhalter 13 wird zusätzlich die Qualität der erstellten Schnittfläche, insbesondere in einem dem Gegenhalter 13 naheliegenden Werkstückbereich verbessert, da der Gegenhalter 13 bezüglich des Werkstückes W während des Schneidvorganges eine verbesserte Stützfunktion aufweist. Demzufolge werden Gegenhalter 13 regelmäßig beim Fein- oder Genauschneiden verwendet, um das Werkstück W in seiner Position gegenüber dem Schneidstempel 3 allseitig zu fixieren.
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In 2c kommt zusätzlich zu den beiden Werkzeugaktivelementen (Schneidstempel 3 und Schneidmatrize 4) ein Niederhalter 10 zur Verhinderung eines Aufbiegens des Schnittteiles zum Einsatz. In diesem Fall wird das Werkstück W zwischen Niederhalter 10 und Schneidmatrize 4 gehalten, während der Werkstoff durch die Relativbewegung von Schneidstempel 3 und Schneidmatrize 4 zwischen deren Schneidkanten unter Einhaltung des Schneidspalts getrennt wird. Die Niederhalterkraft wird so groß bemessen, dass ein ungewolltes Verformen des Werkstückes W während des Schneidvorganges größtenteils verhindert wird.
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Der Werkzeugaufbau nach 2d unterscheidet sich von demjenigen nach 2c lediglich dahingehend, dass auf der dem Werkstück W zugewandten Unterseite des Niederhalters 10 zusätzliche Ringzacken 16 angeformt sind, die gleichmäßig voneinander beabstandet den Schneidstempel 3 und die Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 umschließen. Das Werkstück W wird vor dem Schneidvorgang mittels der Ringzacken 16, auf die jeweils die Ringzackenkraft (Niederhalterkraft) wirkt, außerhalb der Schnittlinie (Trennlinie TR) auf die Schneidmatrize 4 gespannt. Die Ringzacken 16 dringen dabei außerhalb der Schnittlinie (Trennlinie TR) in den Werkstoff des Werkstückes W ein. Die eingepressten Ringzacken 16 verhindern beim Scherschneidvorgang ein Nachfließen (Hineinziehen) des Werkstoffes in den Schneidspalt. Ringzackenabstand und Ringzackenhöhe sind so gewählt, dass sie mit steigender Werkstückdicke zunehmen. Bei Blechdicken über 5 mm befinden sich in der Regel Ringzacken 16 auf dem Niederhalter 10 und auf der Schneidmatrize 4.
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2e zeigt in schematischer Weise den Aufbau eines Feinschneidwerkzeuges, bei dem ein Niederhalter 10 mit Ringzacken 16 (wie in 2d) und ein Gegenhalter (wie in 2b) miteinander kombiniert sind. Dadurch wird das zu trennende Werkstück W allseitig eingeschlossen. Der hierbei entstehende hohe Druck wirkt der Zugspannung beim Scherschneiden entgegen. Im Unterschied zum "normalen" Scherschneiden (wie in 2a und 2c) wirken beim Feinschneidvorgang drei Kräfte. Erst spannen die von den Ringzacken 16 ausgehende Ringzackenkraft und die vom Gegenhalter 13 ausgehende Gegenkraft den Werkstoff des Werkstückes W fest ein. Erst dann übt der Schneidstempel 3 die Schneidkraft auf den zu trennenden Werkstoff aus. Das Ergebnis sind saubere Schnittflächen sowie eine hohe Gerad- und Rechtwinkligkeit des Schnittteiles.
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In 2f ist ein Scherschneidwerkzeug schematisch wiedergegeben, welches beim Genauschneiden eines Werkstückes W zur Anwendung gelangt. "Genauschneiden" ist ein modifiziertes "Feinschneiden", bei dem der Werkzeugaufbau dem Aufbau eines Feinschneidwerkzeuges (wie in 2e) weitgehend entspricht. Der einzige Unterschied sind die fehlenden Ringzacken 16 am Niederhalter 10. Wie beim Feinschneiden wird das Werkstück W (insbesondere Blech) durch Niederhalter 10 und Gegenhalter 13 am Abheben von den Werkzeugstirnflächen gehindert. Im Allgemeinen ist die Qualität der Schnittfläche schlechter als beim Feinschneiden. Die Schnittfläche kann aber durchaus als Funktionsfläche eingesetzt werden.
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Aufgrund der Werkstoffverformung während des Scherschneidprozesses kommt es zu einer charakteristischen Ausbildung der Schnittfläche am Schnittteil, deren Kenngrößen ebenfalls nach VDI 2906 festgelegt sind. Beim Eindringen des Schneidstempels 3 in das Werkstück W entsteht durch Nachfließen des Werkstoffes in den Schneidspalt ein Kanteneinzug. Mit zunehmendem Schneidweg geht dieser Kanteneinzug in eine glatte Scherfläche, den Glattschnitt, über. Überschreitet die Spannung an einer Stelle innerhalb des Werkstoffes die Schubbruchgrenze, so wird an dieser Stelle ein Bruch eingeleitet. Mit dieser Bruchinitiierung beginnt die Ausbildung der Bruchfläche. Sie ist um den Bruchflächenwinkel zur Werkstückebene geneigt. Am Ende jedes schergeschnittenen Bauteiles befindet sich der Schnittgrat, der sich während des Fließens des Werkstoffes ausbildet.
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Grundsätzlich bestehen alle schergeschnittenen Schnittflächen von Blechwerkstoffen aus den vier vorbeschriebenen Bereichen Kanteneinzug, Glattschnitt, Bruchfläche und Grat. Soll die Schnittfläche beispielsweise hinterher als Pass- oder Funktionsfläche dienen, so ist eine möglichst große Glattschnitthöhe, bei gleichzeitig geringen Werten von Bruchflächenhöhe und Kanteneinzugshöhe anzustreben.
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Beim "normalen" Scherschneiden (2a und 2c), dem Scherschneiden mit Ringzacke (2d) und dem Scherschneiden mit Gegenhalter (2b) lassen sich im Allgemeinen keine 100%igen Glattschnittanteile und hohen Toleranzanforderungen erfüllen. Handelt es sich bei dem zu trennenden Werkstoff um einen Baustahl, so sind mit den vorgenannten konventionellen Scherschneidverfahren an einer Schnittfläche durchschnittlich 30 % glattgeschnittener Flächenanteil und 60 % Bruchflächenanteil realisierbar.
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Zur Maximierung des Glattschnittanteiles an und somit zur Verbesserung der Eigenschaften von Schnittteilen sind daher in bisherigen Lösungen oftmals zeit- und kostenintensive Nachfolgeoperationen eingeplant, die neben dem eigentlichen Scherschneidvorgang ein weiteres Nachschneiden oder ein Zerspanen des Schnittteiles beinhalten. Alternativ zu den vordiskutierten Scherschneidverfahren existieren zwar die Möglichkeiten des Einsatzes von Strahlverfahren, Zerspanungstechnologien oder sonstigen Sonderverfahren (Erodieren, Hochgeschwindigkeitsscherschneiden etc.). Diese Verfahren sind jedoch im Gegensatz zu Scherschneidverfahren nur für kleine Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar oder bedingen eine im Regelfall nicht vorhandene Sondermaschine.
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Eine Erhöhung des Glattschnittanteiles ist zwar mit den als "Feinschneiden" oder "Genauschneiden" bezeichneten Varianten des Scherschneidens gemäß 2e und 2f möglich. Allerdings stellen das Fein- und Genauschneiden kostenintensive Sonderverfahren mit kostenintensiven Spezialwerkzeugen dar. So benötigt das Feinschneiden im Vergleich zum Normalschneiden eine dreifachwirkende Presse zum Aufbringen von Ringzackenkraft, Gegenhalterkraft und Schneidkraft, die sich durch eine besonders hohe Führungsgenauigkeit des Pressenstößels und einen steifen Pressenrahmen auszeichnen muss. Zudem müssen in der Regel Säulenführungen eingesetzt werden, um die exakte Krafteinbringung auch bei sehr dünnen Materialstärken zu ermöglichen. Im Ergebnis ist das Feinschneiden daher mit hohen Investitionskosten verbunden, die sich im Normalfall erst bei sehr großen Stückzahlen amortisieren.
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Der Erfindung liegt in Anbetracht der vorgenannten Nachteile die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Werkstückes entlang einer Trennlinie bereitzustellen, mit denen in fertigungstechnisch einfacher und damit kostengünstiger Weise qualitativ hochwertige, zuverlässig reproduzierbare Trennergebnisse erzielt werden können.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Trennen eines Werkstückes entlang einer Trennlinie gelöst, die gekennzeichnet ist durch wenigstens ein Druckkraftbeaufschlagungsmittel zum Beaufschlagen des zu trennenden Werkstückes im Bereich der vorgesehenen Trennlinie mit wenigstens einer Druckkraft quer zur Trennlinie.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstückes entlang einer Trennlinie gelöst, das durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- a) Bereitstellen eines zu trennenden Werkstückes;
- b) Beaufschlagen des zu trennenden Werkstückes im Bereich der vorgesehenen Trennlinie mit wenigstens einer Druckkraft quer zur Trennlinie; und
- c) Trennen des Werkstückes entlang der Trennlinie.
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Die Erfindung fußt auf der Überlegung, durch eine Veränderung des Spannungszustandes in der Trennzone, also im Bereich der vorgesehenen Trennlinie, den Trennvorgang so zu beeinflussen, dass ein Trennen ohne Auftreten eines frühzeitigen Trennbruchs erfolgen kann. Dabei wird erfindungsgemäß das Werkstück vor bzw. während des Trennens im Bereich der vorgesehenen Trennlinie quer zur Trennlinie auf Druck belastet, um eine saubere, rissfreie Trennfläche für das getrennte Werkstück zu erhalten.
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Mithilfe eines Druckkraftbeaufschlagungsmittels wird der Druckspannungsanteil im Werkstoff entlang der vorgesehenen Trennline erhöht. Die quer zur Trennlinie erzeugte radiale Druckspannung im Werkstoff verändert den Spannungszustand in der Trennzone derart, dass die Schubfließgrenze vor der Schubbruchgrenze erreicht wird. Dies führt zu einem erhöhten Formänderungsvermögen des Werkstoffes, wodurch vorteilhafterweise aufgrund des Werkstoffstaus in der Trennzone ein Abfließen des Werkstoffes mit Bildung einer Bruchzone verhindert und ein höher Glattschnittanteil verursacht wird.
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Risse in der Trennfläche, d. h. im Trennzonenbereich werden somit vermieden. Außerdem wird die Ausbildung des Kanteneinzugs reduziert. Im Ergebnis wird eine saubere, glatte Trennfläche erzielt, die unmittelbar als Pass- / Funktionsfläche, z. B. als Verzahnung verwendbar ist.
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Gegenüber herkömmlichen Schneidverfahren, die auf zusätzliche Nachbearbeitungsschritte angewiesen sind, um eine glatte Schnittfläche zu erhalten, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine reduzierte Prozesskette und somit eine Kostenreduktion in der Herstellung hochqualitativer Schnittteile erreicht werden.
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In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Druckkraftbeaufschlagungsmittel durch wenigstens ein Zusatzwerkzeug gebildet ist, mit welchem zusätzlich zum entlang der Trennlinie erfolgenden Trennen des Werkstückes eine Zusatztrennoperation am Werkstück ausführbar ist.
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Die von wenigstens einem Zusatzwerkzeug am Werkstück ausgeführte Zusatztrennoperation bewirkt eine Werkstoffverdrängung und somit Druckkraftbeaufschlagung in einer Richtung quer zur Trennlinie der Haupttrennoperation. Die zur Druckkraftbeaufschlagung eingesetzten Zusatzwerkzeuge (z. B. Schneidwerkzeuge) sind auf konventionellen Pressen für die Trennbearbeitung von Werkstücken problemlos nachrüstbar. Daraus resultiert gegenüber bekannten Trennvorrichtungen ein nur unerheblicher werkzeugbaulicher Mehraufwand.
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Die Zusatzwerkzeuge zur Druckkrafteinleitung können zusammen mit den Hauptwerkzeugen zur Trennung des Werkstückes entlang der Trennlinie auf konventionellen Pressen einhubiger Bauart angebracht sein. Verglichen damit ist für das Feinschneiden eine erheblich aufwendiger aufgebaute mehrhubige Feinschneidpresse mit hydraulisch gekoppelten Schneid-, Ringzacken- und Gegenhalterzylindern erforderlich.
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Die Zusatzwerkzeuge können eine Doppelfunktion ausfüllen, indem sie nicht nur zur Druckkrafteinleitung, sondern auch zur Konturerstellung des Schnittteiles dienen. Die Zusatzwerkzeuge können aber ebenso in einem Bereich des Werkstückes positioniert sein, der nach dem Trennvorgang als Abfall (Verschnitt) in der Trennvorrichtung zurückbleibt. Um den Verschnitt im letztgenannten Fall zu minimieren, sollten die Zusatzwerkzeuge möglichst klein dimensioniert sein.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Zusatzwerkzeug in seitlichem Abstand zur vorgesehenen Trennlinie angeordnet.
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Der optimale Abstand des Zusatzwerkzeuges von der Trennlinie hängt von Dicke, Geometrie und Werkstoff des zu trennenden Werkstückes ab. Der Abstand sollte so gewählt sein, dass die eingeleitete Druckkraft ausreichend ist, um eine Druckspannung im Trennzonenbereich (Bereich der vorgesehenen Trennlinie) zu erzeugen, die eine Rissentstehung und somit einen Bruch des Werkstoffes (was zu einem niedrigen Glattschnittanteil führen würde) unterbindet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die vorgesehene Trennlinie geschlossen ausgebildet und sind mehrere Zusatzwerkzeuge in gleichmäßigem Abstand zueinander um die Trennlinie herum angeordnet.
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Der Abstand der Zusatzwerkzeuge zueinander und somit die Anzahl der Zusatzwerkzeuge hängt ebenfalls von Dicke, Geometrie und Werkstoff des zu trennenden Werkstückes ab. Der Abstand (die Anzahl) der Zusatzwerkzeuge wird dabei so gewählt, dass über den gesamten Umfang der geschlossenen Trennlinie eine definierte Druckspannung im Werkstück erzeugt wird, durch welche das Werkstück fixiert und ein Abfließen des Werkstoffes während des Trennvorganges verhindert wird. Ziel ist es, durch die die Trennlinie umgebenden Zusatzwerkzeuge einen frühzeitigen Bruch entlang der Trennlinie ganz oder zumindest weitgehend zu verhindern.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese gekennzeichnet durch ein erstes Werkzeugteil und ein zweites Werkzeugteil, zwischen denen das zu trennende Werkstück platzierbar ist, wobei das erste Werkzeugteil einen Schneidstempel und das zweite Werkzeugteil eine Schneidmatrize mit einer Stempelausnehmung umfasst und wobei das Werkstück infolge einer Relativbewegung zwischen Schneidstempel und Schneidmatrize entlang der Trennlinie trennbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann demzufolge bevorzugt ein Scherschneidwerkzeug mit Schneidstempel und korrespondierender Schneidmatrize beinhalten, bei dem die Trennlinie als geschlossene Schnittlinie ausgebildet ist. Für das konventionelle Scherschneiden erschien bisher ein hoher Bruchflächenanteil (im Durchschnitt 60 %) der Schnittfläche unvermeidbar. Durch das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Druckkraftbeaufschlagungsmittel wird diesbezüglich Abhilfe geschaffen. Infolge der nunmehr in der Schneidzone des Scherschneidwerkzeuges vorherrschenden Druckspannung wird das Werkstück über die gesamte oder annähernd gesamte Dicke des Werkstückes im Glattschnitt geschnitten. Damit entfallen zusätzliche Nachbearbeitungsschritte (z. B. durch Nachschneiden oder Zerspanen), was die Möglichkeit eröffnet, Schnittteile mit maßgenauen, hochqualitativen Schnittflächen auf wirtschaftliche Weise zu fertigen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Zusatzwerkzeug in das erste und / oder zweite Werkzeugteil integriert.
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Demzufolge wird vorteilhafterweise für die der Druckkrafteinleitung dienenden Zusatzwerkzeuge keine separate Vorrichtung benötigt. Vielmehr können die Zusatzwerkzeuge in das Oberteil und / oder Unterteil bestehender Scherschneidwerkzeuge integriert werden. Im Gegensatz zu bekannten Feinschneidwerkzeugen, die für das Aufbringen der Schneid-, Ringzacken- und Gegenhalterkaft einen großen mechanischen und hydraulischen Aufwand erfordern, muss für die erfindungsgemäße Vorrichtung nur ein geringer werkzeugbaulicher Mehraufwand betrieben werden. So ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Weiteres in einer konventionellen Schneidpresse einsetzbar.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die Arbeitsbewegung des Zusatzwerkzeuges der Relativbewegung zwischen Schneidstempel und Schneidmatrize vorauseilen, sodass die Druckkraftbeaufschlagung wenigstens teilweise zeitlich vor dem Trennen entlang der Trennlinie erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung kann also derart gestaltet sein, dass die Zusatztrennoperation zum Einleiten der Druckkraft vor der Haupttrennoperation zum Trennen des Werkstückes entlang der Trennlinie stattfindet. Alternativ ist jedoch auch vorstellbar, durch eine entsprechende Werkzeuggestaltung die Zusatz- und Haupttrennoperationen gleichzeitig am Werkstück auszuführen, um die erforderliche Prozesszeit weiter zu verringern.
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Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Zusatzwerkzeug wenigstens einen Zusatzschneidstempel, der in seitlichem Abstand zum Schneidstempel angeordnet ist.
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Der Zusatzschneidstempel presst sich zu Beginn der Zusatzschneidoperation in den Werkstoff ein und verdrängt den Werkstoff seitlich (radial) vom Zusatzschneidstempel weg in Richtung auf die seitlich (radial) zum Zusatzschneidstempel angeordnete, vorgesehene Trennlinie. Die Zusatzschneidoperation mittels des Zusatzschneidstempels bewirkt demzufolge das Einbringen einer Druckspannung im Bereich der vorgesehenen Trennlinie. Somit wird beim gleichzeitigen oder anschließenden Scherschneiden entlang dieser Trennlinie ein seitliches Abfließen (Ausweichen) des Werkstoffes mit unerwünschter Rissbildung sicher vermieden.
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Schneidstempel kommen in jedem konventionellen Stanzwerkzeug zum Einsatz und sind auf dem Markt in vielfältigen Formen verfügbar. Im Gegensatz zu komplexen Feinschneidwerkzeugen unter Verwendung von Niederhaltern mit Ringzacken sind Schneidstempel in der Anschaffung vergleichsweise günstig.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schneidmatrize mit einer Zusatzstempelausnehmung für den Zusatzschneidstempel versehen, wobei die Zusatzstempelausnehmung in seitlichem Abstand zur Stempelausnehmung angeordnet ist.
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Bestehende Schneidmatrizen können durch das Einbringen weiterer Zusatzstempelausnehmungen für die Zusatzschneidstempel einfach adaptiert werden. Um den Verschnitt zu minimieren und die Werkstückabmessungen optimal auszunutzen, sollten die Querschnitte (im Falle von kreisförmigen Querschnitten also die entsprechenden Durchmesser) für Zusatzschneidstempel und Zusatzstempelausnehmung möglichst klein gewählt werden.
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Insbesondere kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Zusatzschneidstempel entlang seines in das Werkstück eindringenden Längsabschnitts einen wenigstens teilweise veränderlichen, insbesondere sich entgegen der Schnittrichtung kontinuierlich vergrößernden Querschnitt (im Falle eines kreisförmigen Querschnittes also einen sich entgegen der Schnittrichtung konisch vergrößernden Durchmesser) aufweisen.
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Durch den veränderlichen (insbesondere entgegen der Schnittrichtung kontinuierlich vergrößerten) Querschnitt (im Falle eines kreisförmigen Querschnittes also insbesondere durch einen entgegen der Schnittrichtung konisch zunehmenden Durchmesser) wird für den Zusatzschneidstempel eine Stempelkontur geschaffen, die bei ihrem Eindringen in das Werkstück eine Verdrängung des Werkstoffes in seitlicher (radialer) Richtung hin zur seitlich (radial) benachbarten vorgesehenen Trennline bewirkt. Dadurch wird im Bereich der Trennlinie eine Druckspannung aufgebaut, die beim gleichzeitig oder anschließend stattfindenden Scherschneiden entlang dieser Trennlinie (Schnittlinie) den Werkstoff an einem Ausweichen in radialer Richtung nach außen hindert. Letztendlich führt dies zu einer glatten und rissfreien, vollständig aus Glattschnittanteilen bestehenden Schnittfläche ohne Bruchflächenanteile.
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Weiterhin sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Zusatzschneidstempel an seinem in Schnittrichtung weisenden freien Ende einen querschnittskonstanten Fortsatz aufweist.
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Durch die Axialbewegung des Zusatzschneidstempels dringt der Zusatzschneidstempel zunächst mit seiner querschnittskonstanten Stempelstirn (Fortsatz) in das Werkstück ein, wobei das Werkstück zwischen querschnittskonstanter Stempelstirn und Schneidmatrize abgeschert wird. Eine Druckkrafteinleitung in seitlicher (radialer) Richtung wird insbesondere durch den sich an die querschnittskonstante Stempelstirn anschließenden konischen Stempelschaft des Zusatzschneidstempels bewirkt, um der Zugspannung beim Trennen entlang der dazu seitlich (radial) angeordneten vorgesehenen Trennlinie entgegenzuwirken und somit zu einer erhöhten Schnittflächenqualität beizutragen.
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Gemäß einer wiederum anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das erste Werkzeugteil einen Niederhalter, wobei der Niederhalter mit wenigstens einer Ausnehmung zur Durchführung des Schneidstempels und / oder des Zusatzschneidstempels versehen ist.
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Entlang der oberen Flachseite des Werkstückes ist dementsprechend ein Niederhalter angeordnet, der ein unerwünschtes Aufbiegen des Werkstückes während der Trenn- und Zusatztrennoperation verhindert und somit für eine höhere Maßgenauigkeit der Schnittflächen sowie eine gesteigerte Prozesssicherheit sorgt. Gleichzeitig dient der Niederhalter mit seinen Ausnehmungen als Zentrier- / Führungsmittel für den Schneidstempel und Zusatzschneidstempel, wodurch die Qualität der erstellten Schnittflächen weiter verbessert wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das zweite Werkzeugteil wenigstens einen Gegenhalter, der in der Stempelausnehmung und / oder der Zusatzstempelausnehmung der Schneidmatrize aufgenommen ist.
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Durch einen beweglichen Gegenhalter unter dem Werkstück wird eine weitere Verbesserung der Schnittflächenqualität und eine exakte Abbildung der Schneidmatrizengeometrie auch bei größerem Schneidspalt erzielt. Die so erzeugten Schnittteile weisen zudem eine hohe Planheit auf. Dadurch gewinnt der Schneidprozess eine erheblich verbesserte Fertigungssicherheit.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht ferner vor, dass das Zusatzwerkzeug wenigstens ein Messerschneidwerkzeug umfasst.
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Messerschneidwerkzeuge, die auch als Stanzmesser bezeichnet werden, sind konventionelle, weit verbreitete Schneidwerkzeuge und können daher ohne große Investitionskosten in vorhandene Trennvorrichtungen integriert werden, um eine Druckkraftbeaufschlagung quer zur Trennlinie zu gewährleisten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Messerschneidwerkzeug ein keilförmig zulaufendes Schneidelement umfasst.
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Bedingt durch die im Querschnitt keilförmige Ausbildung des Messerschneidelements werden nach dem Eindringen des Messerschneidelements im Bereich der seitlich benachbarten Trennlinie Querdruckspannungen erzeugt. Diese Querdruckspannungen verhindern, dass der Werkstoff bei dem entlang der Trennlinie stattfindenden Trennvorgang aus dem Trennzonenbereich verdrängt wird. So kann ein erhöhter Glattschnittanteil erzielt werden. Dabei wird vorteilhafterweise eine große Querkraftkomponente auf den Werkstoff übertragen.
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Insbesondere kann das Schneidelement des Messerschneidwerkzeuges in seitlichem Abstand zum Schneidstempel auf der dem Werkstück zugewandten Seite des Niederhalters und / oder in seitlichem Abstand zur Stempelausnehmung auf der dem Werkstück zugewandten Seite der Schneidmatrize angeformt oder angeordnet sein.
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Im Falle einer Anbringung des Messerschneidelements an dem Niederhalter wird das Werkstück zwischen dem Messerschneidelement und der gegenüberliegenden flachen Oberseite der Schneidmatrize abgeschnitten. Im Falle einer Anbringung des Messerschneidelements an der Schneidmatrize wird das Werkstück zwischen dem Messerschneidelement und der gegenüberliegenden flachen Unterseite des Niederhalters abgeschnitten. Die Eindringbewegung des Messerschneidelements während des Abschneidens hat eine Bewegungskomponente parallel zur Oberfläche des Werkstückes zur Folge, sodass eine Verdrängung des Werkstoffes in der Werkstückebene nach außen vom Messerschneidelement weg erfolgt. Dank dieser Werkstoffverdrängung wird eine Druckzunahme im Bereich der benachbarten Trennlinie bewirkt, die beim Trennvorgang entlang dieser Trennlinie zu einer Erhöhung des Glattschnittanteiles führt.
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Alternativ oder ergänzend kann das Zusatzwerkzeug wenigstens ein Beißschneidwerkzeug umfassen.
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Wie ein Messerschneidwerkzeug ist ein Beißschneidwerkzeug sehr einfach aufgebaut. Das Beißschneidwerkzeug ist demzufolge ohne großen Zusatzaufwand an konventionellen Schneidpressen nachrüstbar und erfordert keine Sondermaschine. Darüber hinaus sind keine Niederhalter notwendig und demzufolge auch keine Niederhalter- oder Ringzackenkräfte zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise umfasst das Beißschneidwerkzeug zwei keilförmig zulaufende, einander mit ihren spitzen Enden gegenüberliegende Schneidelemente.
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Wie beim Messerschneiden wird somit beim Beißschneiden das Werkstück durch die Schneidelemente vollständig getrennt. Die sich aufeinander zu bewegenden keilförmigen Schneidelemente des Beißschneidwerkzeuges verdrängen dabei den Werkstoff in die seitlich benachbarte vorgesehene Trennlinie und führen dort zur gewünschten Druckspannungsüberlagerung.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das eine Schneidelement des Beißschneidwerkzeuges in seitlichem Abstand zum Schneidstempel auf der dem Werkstück zugewandten Seite des Niederhalters und das andere Schneidelement des Beißschneidwerkzeuges in seitlichem Abstand zur Stempelausnehmung auf der dem Werkstück zugewandten Seite der Schneidmatrize angeformt oder angeordnet.
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Nach Abstumpfung durch den Gebrauch lassen sich die Beißschneidelemente einfach nachschärfen, indem der Niederhalter und die Schneidmatrize ausgebaut und einer entsprechenden Schleifmaschine zugeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wirkt der Schneidstempel zugleich als Druckkraftbeaufschlagungsmittel, indem der Schneidstempel entlang seines in das Werkstück eindringenden Längsabschnitts einen wenigstens teilweise veränderlichen, insbesondere sich entgegen der Schnittrichtung kontinuierlich vergrößernden Querschnitt (im Falle eine kreisförmigen Querschnittes also einen sich entgegen der Schnittrichtung kontinuierlich vergrößernden Durchmesser) aufweist.
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Somit dient in besonders einfacher und kompakter Weise der Schneidstempel zum Trennen des Werkstückes entlang der Trennlinie gleichzeitig auch als Druckkraftbeaufschlagungsmittel, um entlang dieser Trennlinie eine Druckspannung zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist der Schneidstempel mit einem partiell vergrößerten Querschnitt (im Falle eines kreisförmigen Querschnittes also mit einem partiell vergrößerten Durchmesser) versehen. Diese Querschnittsvergrößerung des Schneidstempels führt dazu, dass in radialer Richtung vom Schneidstempel weg eine Werkstoffverdrängung stattfindet, infolge derer die gewünschte Überlagerung eines Druckspannungszustandes in der Schneidzone erreicht wird. Im Ergebnis wird somit ein glänzender glatter Schnitt erhalten.
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Schließlich weist gemäß noch einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Schneidstempel an seinem in Schnittrichtung weisenden freien Ende einen querschnittskonstanten Fortsatz auf.
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Durch eine querschnittskonstante Stirnform und eine daran anschließende konische Schaftform des Schneidstempels ergeben sich Kraftverläufe innerhalb des zu trennenden Werkstoffes, welche die Bruchgefahr reduzieren und dadurch zu einer erheblichen Verbesserung der Schnittflächenqualität beitragen.
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Besondere Vorteile und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
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1a bis 1i verschiedene Ausführungsbeispiele einer als Scherschneidwerkzeug ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen eines Werkstückes entlang einer Trennlinie; und
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2a bis 2f verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsbeispiele von Scherschneidwerkzeugen.
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Die Darstellungen der 1a bis 1f zeigen verschiedene Ausführungen eines erfindungsgemäßen Scherschneidwerkzeuges, das jeweils ein oberes Werkzeugteil 1 und ein unteres Werkzeugteil 2 umfasst. Zum oberen Werkzeugteil 1 gehört jeweils ein Niederhalter 10 und ein Schneidstempel 3, der in einer Ausnehmung 11 des Niederhalters 10 geführt ist. Das untere Werkzeugteil 2 ist gebildet aus einer Schneidmatrize 4 und einem Gegenhalter 13, der in einer Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 aufgenommen ist und während des Schneidvorganges zusätzlich von unten gegen den auszuschneidenden Teil des Werkstückes W gedrückt wird. Die Anwendung eines solchen axialen Gegendruckes hat sich als vorteilhaft erwiesen, besonders wenn ebene, winkelgetreue Scherflächen großer Oberflächengüte gewünscht sind.
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Das Werkstück W ist flächenhaft ausgebildet, wobei es sich hierbei insbesondere um ein Blech handeln kann. Nach dem gezeigten Stellungszustand des Scherschneidwerkzeuges ist das Werkstück W in 1a bis 1i jeweils zwischen Niederhalter 10 und Schneidmatrize 4 fest eingeklemmt, wobei der Schneidstempel 3 in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstückes W kommt und die Außenkontur des Schneidstempels 3 in das Werkstück W einschneidet. Der Hub des Schneidstempels 3 ist so eingestellt, dass der Schneidstempel 3 in der untersten Stellung in die Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 4 eintaucht und dabei einen (z. B. scheibenförmigen) Werkstückteil vom Werkstück W ausstanzt. Je nachdem, ob es sich bei diesem ausgestanzten Werkstückteil um ein gewünschtes Schnittteil oder ein Abfallstück (Butzen) handelt, liegt eine Loch- oder Ausschneidoperation vor. In den Ausführungsbeispielen gemäß 1b bis 1h wird als Schneidstempel 3 jeweils ein Schneidstempel mit konstantem Querschnitt (z. B. ein zylindrischer Schneidstempel) eingesetzt. Die koaxial zum Schneidstempel 3 in der Schneidmatrize 4 ausgebildete Stempelausnehmung 5, in welche der Schneidstempel 3 einfahrbar ist, ist analog zum Schneidstempel 3 (z. B. ebenfalls zylindrisch) ausgebildet. Im Ergebnis sind der Schneidstempel 3 und die Stempelausnehmung 5 so aufeinander abgestimmt, dass bei eingefahrenem Schneidstempel 3 ein ringförmiger Schneidspalt zur Wandung der Stempelausnehmung 5 verbleibt.
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Das vorbeschriebene Scherschneiden mit einem Schneidstempel 3 und einer Schneidmatrize 4 mit korrespondierender Stempelausnehmung 5 stimmt insoweit mit dem bereits eingangs unter Bezugnahme auf 2a bis 2d beschriebenen konventionellen Scherschneiden überein. Nachteilig am konventionellen Scherschneiden ist jedoch, dass auf eine Phase des Abscherens, bei der die Schubfließgrenze des Werkstoffes überschritten wird und der Werkstoff zwischen den Schneidkanten der Schneidmatrize 4 und des Schneidstempels 3 abgeschert wird, immer eine Phase des Bruchs nachfolgt. Beim Bruch dringt der Schneidstempel 3 weiter ein, sodass sich durch die geringe Festigkeit des Restquerschnittes die Rissbildung erweitert, bis der Werkstoff schlussendlich mit Erreichen der Schubbruchgrenze bricht.
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Die Schnittfläche der durch konventionelles Scherschneiden hergestellten Schnittteile weist einen auf der Werkstückinnenseite liegenden Schnittgrat, einen aus Glattschnitt- und Bruchanteilen bestehenden Trennbereich und einen auf der Werkstückaußenseite befindlichen Einzugsbereich auf. Der Bruchflächenanteil der Schnittfläche (rund 60 % der Werkstückdicke) kann nicht als Pass- oder Funktionsfläche genutzt werden. Um eine Glättung der Schnittfläche zu erreichen, ist daher insbesondere bei sicherheitsrelevanten Schnittteilen eine kostenintensive zerspanende Nachbearbeitung der Schnittfläche oder ein Nachschneiden der Schnittfläche unerlässlich. Zwar kann mittels eines Feinschneidwerkzeuges, bei dem gemäß 2e ein Gegenhalter 13 mit einem von Ringzacken 16 besetzten Niederhalter 10 kombiniert ist, eine gewisse Reduzierung des Bruchflächenanteiles erzielt werden. Um aber die Schneidkraft, die Ringzackenkraft und die Gegenhalterkraft unabhängig voneinander einstellen zu können, ist der Einsatz einer Sondermaschine in Form einer dreifachwirkenden Feinschneidpresse mit unabhängig ansteuerbaren Schneid-, Ringzacken- und Gegenhalterzylindern notwendig. Die millionenschwere Investition in eine aufwendig aufgebaute Feinschneidpresse setzt gewisse, teilespezifische Mindeststückzahlen voraus, um das Feinschneiden überhaupt erst wirtschaftlich ausführen zu können.
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Die erfindungsgemäßen Scherschneidwerkzeuge gemäß 1a bis 1i ermöglichen durch einfache werkzeugbauliche Modifikationen vorhandener konventioneller Scherschneidwerkzeuge, den Bruch des Werkstoffes beim Scherschneiden längs der Trennlinie TR vollständig zu unterdrücken, indem Zugspannungsanteile in der Trennzone weitgehend vermieden werden und die Werkstofftrennung fast vollständig durch eine Umformung unter Schubbeanspruchung stattfindet. Zu diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Scherschneidwerkzeug jeweils ein Druckkraftbeaufschlagungsmittel 3, 7, 14, 15a, 15b, um den Werkstoff im Bereich der Trennline TR mit einer Druckkraft quer zur Trennlinie TR zu beaufschlagen. Daraus resultiert eine Überlagerung der während des Trennvorganges entlang der Trennlinie TR auftretenden Zugspannungen mit den durch das Druckkraftbeaufschla-gungsmittel im Bereich der Trennlinie TR erzeugten Druckspannungen. Diese Druckspannungsüberlagerung verändert vorteilhafterweise den Spannungszustand im Scherbereich derart, dass die Schubbruchgrenze hin zu größeren Werten verschoben wird. Der Werkstoff kann somit länger fließen. Aufgrund des derart gesteigerten Formveränderungsvermögens des Werkstoffes können Risse in der Schnittfläche weitgehend vermieden werden. Im Ergebnis erfolgt daher eine Werkstofftrennung fast ausschließlich durch einen Glattschnitt ohne Bruchflächenanteile.
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Es stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um ein Scherschneidwerkzeug mit einem Druckkraftbeaufschlagungsmittel auszustatten und somit beim Trennen entlang der Trennlinie TR die angestrebte Druckspannungsüberlagerung zu realisieren. In 1a bis 1i sind jeweils in schematischen Schnittansichten durch das Scherschneidwerkzeug solche verschiedenen Möglichkeiten zur Ausgestaltung des Druckkraftbeaufschlagungsmittels aufgezeigt.
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In 1a bis 1h wird die zusätzliche Druckkraftbeaufschlagung der Trennzone in einer Richtung quer zur Trennlinie TR durch Zusatzwerkzeuge 7, 14, 15a, 15b realisiert, welche die Trennlinie TR in gleichmäßigem seitlichem Abstand umgeben. Mittels dieser Zusatzwerkzeuge 7, 14, 15a, 15b werden zusätzlich zu der mithilfe des Schneidstempels 3 längs der Trennlinie TR durchgeführten Trennoperation weitere Zusatztrennoperationen am Werkstück W ausgeführt. Infolge dieser Zusatztrennoperationen findet eine Verdrängung des Werkstoffes in seitlicher Richtung statt. Aus dieser Werkstoffverdrängung resultieren parallel zur Werkstückoberfläche verlaufende Querkräfte, die auch senkrecht zur vorgesehenen Trennlinie TR wirken. Dadurch treten entlang der Trennlinie TR im Werkstoff Druckspannungen auf, die während der gleichzeitig oder anschließend entlang dieser Trennlinie TR durchgeführten Trennoperation die Ausbildung eines Bruchs verhindern.
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In 1a, 1b, 1c, 1g und 1h werden als Zusatzwerkzeuge parallel und konzentrisch zur Längsachse des Schneidstempels 3 ausgerichtete Zusatzschneidstempel 7 eingesetzt, die jeweils in gleichem seitlichem Abstand um die Trennlinie TR (geschlossene Schnittline) herum angeordnet sind. Mittels dieser Zusatzschneidstempel 7 werden zusätzlich zu der durch den zentralen Schneidstempel 3 entlang der Trennline TR durchgeführten Schneidoperation weitere Zusatzschneidoperationen am Werkstück W ausgeführt. Im Zuge dieser Zusatzschneidoperationen werden jeweils längs einer geschlossenen Schnittlinie (z. B. scheibenförmige) Werkstückteile aus dem Werkstück W ausgestanzt. Bei diesem Ausstanzen entstehen infolge einer seitlichen Verdrängung des jeweils um die Zusatzschneidstempel 7 stehenbleibenden Werkstoffes Querkräfte, die jeweils radial von den in axialer Schnittrichtung (vertikal nach unten) bewegten Zusatzschneidstempeln 7 weg weisen. Diese Querkräfte führen in der seitlich dazu angeordneten vorgesehenen Trennlinie TR zum Aufbau eines seitlichen Druckes. Infolgedessen werden in der die Trennline TR umgebenden Trennzone Druckspannungen erzeugt, welche die beim Schneiden mittels des Schneidstempels 3 in der Trennzone auftretenden Zugspannungen überlagern und somit einen unerwünschten Bruch des Werkstoffes entlang der Trennline TR verhindern. Bei den in 1a, 1b, 1c, 1g und 1h gezeigten schematischen Schnittansichten sind jeweils zwei Zusatzschneidstempel 7 links und rechts der Trennlinie TR zu erkennen. Der in Umfangsrichtung vorliegende gegenseitige Abstand zwischen den Zusatzschneidstempeln 7 und somit die Gesamtzahl der Zusatzschneidstempel 7 ist dabei so gewählt, dass die Zusatzschneidstempel 7 die für einen glatten, sauberen Schnitt notwendige Druckkrafteinleitung in die Trennzone sicherstellen können.
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Wie der Schneidstempel 3 sind auch die Zusatzschneidstempel 7 in Ausnehmungen 11, 12 des Niederhalters 10 geführt, sodass für die Schneid- und Zusatzschneidstempel 3, 7 in horizontaler Richtung eine hohe Führungsgenauigkeit gegeben ist. Die Zusatzschneidstempel 7 tauchen im Laufe der durch sie ausgeführten Zusatzschneidoperationen in entsprechende, in der Schneidmatrize 4 vorgesehene Zusatzstempelausnehmungen 8 ein.
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Das mit dem jeweiligen Zusatzschneidstempel 7 aus dem Werkstück W ausgestanzte Werkstückteil fällt somit sicher durch die jeweilige Zusatzstempelausnehmung 8 nach unten. Die vorbeschriebene Kombination aus einem zentralen Schneidstempel 3 und dazu konzentrisch angeordneten Zusatzschneidstempeln 7 erfordert gegenüber konventionellen Scherschneidwerkzeugen einen nur geringen werkzeugbaulichen Mehraufwand. Im Gegensatz zum Feinschneiden sind zudem keine komplex aufgebauten, mehrfachwirkenden Feinschneidpressen erforderlich. Vielmehr können die erfindungsgemäßen Scherschneidwerkzeuge ohne Weiteres auf konventionellen Pressen eingesetzt werden.
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In 1b sind die Zusatzschneidstempel 7 jeweils als querschnittskonstante (z. B. zylindrische) Schneidstempel ausgebildet. Zwischen den Schneidkanten von Zusatzschneidstempel 7 und Zusatzstempelausnehmung 8 ist jeweils eine geschlossene Schnittline gebildet, längs derer der Werkstoff abgeschert wird. Bei diesem mittels des Zusatzschneidstempels 7 bewerkstelligten Zusatzschneidvorgang findet nicht nur eine Verdrängung des Werkstoffes in axialer Schnittrichtung, sondern auch eine Verdrängung des Werkstoffes rechtwinklig zur axialen Schnittrichtung zu allen Seiten des Zusatzschneidstempels 7 hin statt. Diese Werkstoffverdrängung hat Querkräfte im Werkstück W zur Folge, die auch in die Trennzone quer zur vorgesehenen Trennlinie TR eingeleitet werden und dort zum erwünschten Aufbau einer Druckspannung führen.
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In vorteilhafter Weiterbildung weisen die Zusatzschneidstempel 7 entsprechend den in 1a, 1c, 1g und 1h gezeigten Ausführungsbeispielen entlang ihrer in das Werkstück W eindringenden Längsabschnitte jeweils einen Bereich mit einem veränderlichen Querschnitt Q2 auf. Insbesondere besitzen die Zusatzschneidstempel 7 in diesen Ausführungsbeispielen jeweils einen Bereich mit einem sich entgegen der Schnittrichtung kontinuierlich vergrößernden Querschnitt Q2. Durch diesen im Stempelquerschnitt Q2 kontinuierlich vergrößerten (z. B. konisch verdickten) Stempelbereich wird sichergestellt, dass beim axialen Einpressen des Zusatzschneidstempels 7 in das Werkstück W eine ausgeprägte Werkstoffverdrängung radial vom Zusatzschneidstempel 7 weg nach außen stattfindet. Infolge dieser Werkstoffverdrängung treten im Werkstück W parallel zur Werkstückoberfläche verlaufende Querkräfte auf. In der seitlich zum Zusatzschneidstempel 7 angeordneten vorgesehenen Trennlinie TR werden dadurch senkrecht zur Trennlinie TR wirkende Druckkräfte hervorgerufen, die beim Trennen entlang dieser Trennlinie TR zur gewünschten Druckspannungsüberlagerung in der Trennzone führen.
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Wie in 1a, 1c und 1g zu erkennen ist, kann der Zusatzschneidstempel 7 zusätzlich zu einem Bereich mit konisch vergrößertem Querschnitt Q2 am in Schnittrichtung weisenden Stirnende einen querschnittskonstanten Fortsatz 9 aufweisen. Der querschnittskonstante Fortsatz 9 trifft bei der vertikalen Schneidbewegung des Zusatzschneidstempels 7 zuerst auf das Werkstück W auf, sodass das Werkstück W zunächst zwischen diesem querschnittskonstanten Fortsatz 9 und der Zusatzstempelausnehmung 8 abgeschert wird. Durch den sich entgegen der Schnittrichtung an den querschnittskonstanten (z. B. zylindrischen) Fortsatz 9 anschließenden, im Querschnitt Q2 veränderlichen (z. B. konisch geformten) Schaftabschnitt des Zusatzschneidstempels 7 wird eine große Querkraftkomponente in das Werkstück W eingeleitet. Infolgedessen werden senkrecht zu der in seitlichem Abstand zum Zusatzschneidstempel 7 befindlichen Trennline TR große Druckkräfte erzeugt, um somit während des entlang dieser Trennlinie TR ausgeführten Trennvorganges die angestrebte Druckspannungsüberlagerung zu erreichen.
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In 1d sind am Niederhalter 10 zusätzlich Messerschneidwerkzeuge 14 angebracht. Die Messerschneidwerkzeuge 14 bestehen jeweils aus einem an der Unterseite des Niederhalters 10 angeformten keilförmig zulaufenden Schneidelement. Die Höhe h1 dieses Schneidelements 14 entspricht dabei der Dicke des zu trennenden Werkstückes W. Zu Beginn des Schneidprozesses wird der Niederhalter 10 zunächst entsprechend 1d mit einer Niederhalterkraft auf das flächenförmige Werkstück W gedrückt. Das Schneidelement 14 wird infolgedessen so weit in den Werkstoff eingepresst, dass das Werkstück W längs einer durch das Schneidelement 14 definierten offenen Schnittlinie vollständig durchtrennt (abgeschnitten) wird. Durch die keilförmig zulaufenden Flanken des Schneidelements 14 wird der Werkstoff beim Eindringen und weiteren Vordringen des Schneidelements 14 in das Werkstück W seitlich nach außen vom Schneidelement 14 weggedrückt. Aufgrund der seitlichen Werkstoffverdrängung werden in der seitlich benachbarten Trennzone des Schneidstempels 3 quer zur Trennlinie TR verlaufende Druckkräfte erzeugt. Dadurch wird bei dem entlang der Trennlinie TR erfolgenden Trennen des Werkstückes W eine Druckspannungsüberlagerung erreicht, die sich günstig auf das Trennergebnis auswirkt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 1f unterscheidet sich von demjenigen gemäß 1d lediglich dahingehend, dass das Messerschneidwerkzeug 14 nicht am Niederhalter 10, sondern an der Schneidmatrize 4 angebracht ist. Hierbei ist das keilförmig zulaufende Schneidelement des Messerschneidwerkzeuges 14 an der dem Werkstück W zugewandten Oberseite der Schneidmatrize 4 angeformt. Wird das Werkstück W entsprechend 1f zwischen dem Niederhalter 10 und der Schneidmatrize 4 unter Einwirkung der Niederhalterkraft festgeklemmt, presst sich das keilförmig zulaufende Schneidelement des Messerschneidwerkzeuges 14 von der Werkstückunterseite her in den Werkstoff ein. Bei diesem Einpressen wird durch die keilförmigen Flanken des Messerschneidwerkzeuges 14 eine seitliche Werkstoffverdrängung bewirkt. Infolge dieser seitlichen Werkstoffverdrängung werden Querkräfte in das Werkstück W eingeleitet, die in der seitlich benachbarten vorgesehenen Trennlinie TR zum Aufbau einer Druckkraft quer zur Trennlinie TR führen. Somit herrscht in der Trennzone um die Trennline TR ein Druckspannungszustand vor, der beim Trennen des Werkstückes W entlang dieser Trennlinie TR den Bruchflächenanteil minimiert oder gar ganz eliminiert.
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In 1e sind die Zusatzwerkzeuge zur Erzeugung einer Druckkraft quer zur Trennlinie TR als Beißschneidwerkzeuge 15a, 15b ausgebildet, die in seitlichem Abstand zum Schneidstempel 3 um die Trennlinie TR herum angeordnet sind. Die Beißschneidwerkzeuge 15a, 15b bestehen jeweils auf zwei keilförmig zulaufenden Beißschneidelementen, deren spitze Enden aufeinander zu weisen. Dabei ist ein Beißschneidelement 15a auf der dem Werkstück W zugewandten Unterseite des Niederhalters 10 und das andere Beißschneidelement 15b auf der dem Werkstück W zugewandten Oberseite der Schneidmatrize 4 angeformt. Das Werkstück W befindet sich im Scherschneidwerkzeug gemäß 1e ebenfalls in einem fest eingespannten Zustand, bei dem es zwischen Niederhalter 10 und Schneidmatrize 4 fixiert ist. Die beiden Beißschneidelemente 15a, 15b sind dabei so weit durch das Werkstück W vorgedrungen, dass ihre spitzen Enden miteinander in Berührung kommen. Die Höhen h2, h3 der beiden Beißschneidelemente 15a, 15b sind derart bemessen, dass ihre Summe der Dicke des zu trennenden Werkstückes W entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass das Werkstück W im eingespannten Zustand durch die Beißschneidelemente 15a, 15b in Dickenrichtung vollständig durchtrennt (abgeschnitten) wird. Beim Beißschneiden des Werkstückes W werden aufgrund der abgeschrägten Flanken der Beißschneidelemente 15a, 15b Querdruckkräfte erzeugt, die auch in der benachbarten Trennzone senkrecht zur Trennlinie TR wirken. Infolge dieser Querdruckkräfte werden die beim Scherschneiden entlang der Trennline TR auftretenden Spannungen in den Druckspannungsbereich verschoben, sodass das Werkstück W plastisch abgeschert wird (ohne oder weitgehend ohne Bildung von Bruchflächenanteilen).
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Rechtzeitiges Nachschärfen der Messerschneidwerkzeuge 14 und der Beißschneidwerkzeuge 15a, 15b durch Ausbau des Niederhalters 10 bzw. der Schneidmatrize 4 und Zuführen dieser Bauteile zu einer entsprechenden Schleifmaschine ist anzuraten, damit das Abschneiden des Werkstückes W und die dadurch hervorgerufene Druckkrafteinleitung in den Bereich der Trennlinie TR jederzeit sichergestellt werden kann.
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In 1b bis 1h ist der Schneidstempel 3 jeweils in Form eines im Stempelquerschnitt konstanten (z. B. zylindrischen) Schneidstempels ausgebildet, um jeweils ein (z. B. scheibenförmiges) Schnittteil oder Abfallstück (Butzen) vom Werkstück W entlang einer geschlossenen Schnittlinie (Trennlinie T) vollständig abzutrennen. In 1a und 1i weist der Schneidstempel 3 hingegen einen querschnittsvariablen Bereich auf, entlang welchem der Stempelquerschnitt Q1 entgegen der Schnittrichtung (von unten nach oben) kontinuierlich zunimmt. Beim Eindringen dieses im Querschnitt Q1 kontinuierlich (z. B. konisch) erweiterten Stempelbereichs in das Werkstück W werden in den umgebenden Werkstoff ausgeprägt hohe Querkräfte eingeleitet. Diese Querkräfte wirken senkrecht (quer) zur Trennline TR als Druckkräfte. Dadurch wird während des Trennvorganges im Bereich der Trennlinie TR eine Druckspannungsüberlagerung erhalten, die zu einem Fließen des Werkstoffes und somit im Schnittteil zur Ausbildung einer glänzenden und rissfreien (nur oder weitgehend aus Glattschnittanteilen bestehenden) Schnittfläche führt.
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Folglich dient in 1a und 1i der Schneidstempel 3 nicht nur als Schneidmittel zum Trennen des Werkstückes W entlang der Trennlinie T, sondern gleichzeitig auch als Druckkraftbeaufschlagungsmittel um die Trennzone mit einer quer zur Trennline TR verlaufenden Druckkraft zu beaufschlagen. In 1i ist deshalb in besonders einfacher und kompakter Weise sogar ganz auf ein separates Zusatzwerkzeug 7, 14, 15a, 15b zur Druckkrafteinleitung verzichtet worden. Die notwendige Druckkrafteinleitung in die Trennzone wird stattdessen allein über den konisch geformten Stempelbereich des Schneidstempels 3 bewerkstelligt. Hierbei ist an einem Stirnende des Schneidstempels 3 zusätzlich ein querschnittskonstanter (z. B. zylindrischer) Fortsatz 6 angeformt, der während des Schneidvorganges zuerst auf das Werkstück W trifft, sodass für ein sauberes Abscheren des Werkstoffes zwischen den Schneidkanten dieses Fortsatzes 6 und der Stempelausnehmung 5 der Schneidmatrize 3 gesorgt ist, ohne dass ein Restbruch auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkzeugteil
- 2
- zweites Werkzeugteil
- 3
- Schneidstempel
- 4
- Schneidmatrize
- 5
- Stempelausnehmung
- 6
- querschnittskonstanter Fortsatz (des Schneidstempels)
- 7
- Zusatzschneidstempel
- 8
- Zusatzstempelausnehmung
- 9
- querschnittskonstanter Fortsatz (des Zusatzschneidstempels)
- 10
- Niederhalter
- 11
- Ausnehmung in Niederhalter (für Schneidstempel)
- 12
- Ausnehmung in Niederhalter (für Zusatzschneidstempel)
- 13
- Gegenhalter
- 14
- Messerschneidwerkzeug (Schneideelement)
- 15a, 15b
- Beißschneidwerkzeug (Schneidelemente)
- 16
- Ringzacken
- W
- Werkstück
- TR
- Trennlinie
- Q1
- veränderlicher Querschnitt des Schneidstempels
- Q2
- veränderlicher Querschnitt des Zusatzschneidstempels
- h1
- Höhe des Schneidelements (Messerschneidwerkzeug)
- h2, h3
- Höhen der Schneidelemente (Beißschneidwerkzeug)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 8580 [0002]
- DIN 8588 [0002]
- VDI 2906 [0002]
- VDI 2906 [0010]
