DE10317185A1

DE10317185A1 - Herstellung von Profilteilen

Info

Publication number: DE10317185A1
Application number: DE2003117185
Authority: DE
Inventors: Reinhard Schröter; Uwe Thamm
Original assignee: Edscha AG
Current assignee: Edscha AG
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-11

Abstract

Profilteile können durch Trennen aus Profilstangen hergestellt werden, wobei eine Profilstange in ein Werkzeug zwischen zwei Aktivteilen eingespannt ist und wobei das Umformen adiabatisch durch Hochgeschwindigkeits-Scherschneiden erfolgt. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung der Profilteile und deren Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilteilen durch Trennen von Profilstangen, bei dem die Profilstange in ein Werkzeug zwischen zwei Aktivteilen eingespannt ist und wobei das Trennen adiabatisch durch Hochgeschwindigkeits-Scherschneiden erfolgt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung der Profilteile und deren Verwendung.
Profilteile im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind im allgemeinen Teile mit einem Außenprofil. Das Außenprofil kann alle möglichen Formen annehmen, wie sie sich durch den beabsichtigten Anwendungszweck des Teils ergeben.
Die Profilteile können beispielsweise als Türscharniere, Handläufe-, Fensterrahmen-, Ladeneinrichtungs- und Bauprofile verwendet werden.
Als Beispiel für die vorliegende Erfindung sind Profilteile auf Basis der folgenden Profilstangen genannt:
Gleichschenkliger L-Stahl, U-Stahl, Ungleichschenkliger L-Stahl, schmale I-Träger, Breit- und parallelflanschiger I-Träger, Hochstegiger T-Stahl, Breitfüßiger T-Stahl, S-Stahl.
Bevorzugt sind die folgenden Profilteile (mit den entsprechenden DIN-Bezeichnungen):
DIN 1013 Rundstahl (Stabstahl)
DIN 1014 Vierkantstahl (Stabstahl)
DIN 1016 Bandstahl, warmgewalzt
DIN 1017 Flachstahl
DIN 1022 L-Profil, gleichschenklig, scharfkantig
DIN 1024 T-Profil
DIN 1025 I-Profile
DIN 1026 U-Profil
DIN 1027 Z-Profil
DIN 1028 L-Profil, gleichschenklig
DIN 1029 L-Profil, ungleichschenklig
DIN 2440 Gewinderohre, nahtlos oder geschweißt, mittelschwer
DIN 2441 Gewinderohre, nahtlos oder geschweißt, schwer
DIN 2448 Rund – Hohlprofile, warm gefertigt, nahtlos
DIN 59200 Breitflachstahl
DIN 59410 Quadrat-Hohlprofil, Rechteck-Hohlprofil, warm gefertigt, nahtlos
DIN 59411 Quadrat-Hohlprofil, Rechteck-Hohlprofil, kalt gefertigt, geschweißt

Es ist bereits bekannt, Profilteile aus Profilstangen durch Scherschneiden (Dubbel, Taschenbuch für Maschinenbau, 16. Auflage S. 44, 1987) oder Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden (z. B. Sägen und Fräsen: Dubbel, Taschenbuch für Maschinenbau, 16. Auflage S. 90, 1987) herzustellen.

Nachteilig bei der bekannten Herstellung von Profilteilen durch Scherschneiden ist:

– Keine Möglichkeit zum Trennen hochfester Werkstoffe
– Werkstoff muss mit dem Werkzeug in der Dicke komplett durchgeschnitten werden
– Geringer Fertigungstakt
– Rissbildung
– Restspannungen im Werkstück
– größere Toleranzen
– ungerade Stirnflächen
– geringe Werkzeugstandzeiten
– großer Stanzeinzug bei großen Wandstärken
– ungünstiger Stanzausriss
– Gratbildung
– Deformation des Profils nach dem Stanzprozess bereitet große Schwierigkeiten bei der Einhaltung der Qualitätsvorgaben.

Die alternative Herstellung der Profilteile durch Sägen oder Fräsen (Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden) ist mit großem technischem Aufwand verbunden und es lassen sich auf diese Weise nur sehr kleine Stückzahlen herstellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Profilteilen mit großer Präzision und in hohen Stückzahlen.

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von Profilteilen durch Trennen aus Profilstangen gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Profilstange in ein Werkzeug zwischen zwei Aktivteilen eingespannt ist,

– wobei die zugewandten Auflageseiten der Aktivteile in Form von Matrizen ausgestaltet sind, bei denen jeweils die Form des zu bearbeitenden Profils ausgespart ist, und
– die Größen der Auflageseiten die Abmessungen des zu schneidenden Profilteils aufweisen,
– wobei die Trennung adiabatisch bei einer sehr hohen Auftreffgeschwindigkeit des Schnittstempels erfolgt und
– die Kraft über einen Stößel auf ein Aktivteil eingeleitet wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es überraschenderweise möglich, Profilteile durch das Trennen von Profilstangen herzustellen, wobei der Werkstoff über ein entsprechendes Aktivteil in verschiedenen Querschnitten gleichzeitig getrennt werden kann. Die Profilteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen eine hohe Präzision auf. Sie lassen sich leicht in hohen Stückzahlen herstellen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Profilstangen in ein Werkzeug eingespannt, das zwei Aktivteile enthält, mit denen der Trennprozess ausgeführt wird. Das eine Aktivteil wirkt als Schneidstempel und das andere als Schneidplatte. Beide sind parallel zueinander angeordnet, wobei die zugewandten Auflageseiten in Form von Matrizen ausgestaltet sind und wobei jeweils die Form des zu bearbeitenden Profils ausgespart ist. In die Aussparung wird die Profilstange zum Trennen eingespannt.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Aktivteil als Glockenwerkzeug (Schneidstempel) und das andere (Schneidplatte) glatt ausgebildet.

Die Auflageseiten der Aktivteile entsprechen der Größe des herzustellenden Profilteils. Die Auflageseiten haben im allgemeinen bei Scharnierteilen eine Breite von 40 bis 80 mm und eine Tiefe von 30 bis 70 mm. Das Aktivteil „Schnittstempel" kann beispielsweise eine Höhe von 80 bis 140 mm, bevorzugt von 70 bis 90 mm aufweisen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung entspricht die Breite (c) und die Tiefe (a) des Aktivteils (Glockenwerkzeug) der Breite (d) und Tiefe (f) des Profilteils (zu trennendes Werkstück), wie in 1 näher erläutert wird. Die geometrischen Merkmale (g), (h), (d), (e) beschreiben die Geometrie der Profilstange.

Die Aktivteile sind beispielhaft und im allgemeinen aus folgenden Werkstoffen hergestellt:

– Werkstoffnummer 1.2379 (gehärtet mit bis zu 60 HRC), X153CrMoV12
– Werkstoff CPM3V (gehärtet mit bis zu 60 HRC), (pulvermetallurgisch hergestellter Hochleistungsarbeitsstahl)

Der Schnittstempel kann vorteilhafterweise TiN-beschichtet sein; die Matrize wird in der Regel nicht beschichtet.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Trennung adiabatisch durch Hochgeschwindigkeits-Scherschneiden. Die Kraft wird über einen Stößel auf eines der Aktivteile dynamisch aufgebracht. Das andere Aktivteil (Schneidplatte) ist auf einer festen Unterlage angebracht.

Das Werkzeug zum Umformen ist im allgemeinen senkrecht angeordnet. Andere Anordnungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenso möglich.

Stößel für Umformwerkzeuge sind an sich bekannt (Umformtechnik, Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Band 2 Massivumformung, K. Lange, S. 153-164, 1988).

Das Pressen von Sinterwerkstoffen im adiabatischen Zustand ist an sich bekannt. Die Beschreibung des Prozesses, die Steuerung, Regelung und Hydraulikkomponenten dazu sind beschrieben ( EP 0 968 785 A1 ).

Maschinen zum Pressen von Sinterwerkstoffen sind beispielsweise für die folgenden Fertigungsverfahren bekannt:

– Hochgeschwindigkeitsschneiden von Drähten, Stangen, Profilen und Rohren aus üblichen Werkstoffen.
– Hochgeschwindigkeitspressen von Sinterwerkstoffen
– Hochgeschwindigkeitsumformung von homogenen Werkstoffen
– Hochgeschwindigkeitsstanzen von ebenen Blechen

(Firmenprospekt von Hydropulsor AB vom 01/2001 „Hochgeschwindigkeitstechnologie in der Fabrik von Morgen")

Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren sind die bekannten Maschinen und die entsprechende Werkzeugtechnik beim Hochgeschwindigkeitsschneiden nicht für L gleichschenkliger L-Stahl, U-Stahl, ungleichschenkliger L-Stahl, schmale I-Träger, Breit- und parallelflanschiger I-Träger, Hochstegiger T-Stahl, Breitfüßiger T-Stahl verwendbar.

Auch das beschriebene Hochgeschwindigkeitsstanzen von ebenen Blechen konzentriert sich auf Bleche und nicht auf Profile, die beim eigenen erfindungsgemäßen Verfahren getrennt werden können.

Der System- und Werkzeughersteller Styner + Bienz Form Tech AG/Schweiz beschreibt in einem Artikel eine hydraulische Stanzeinheit in einer Transferanlage, die mit 300 Hüben/Minute arbeitet. Die dazugehörige Hydraulik stammt vom Hydraulikentwickler BW Hydraulik, Wuppertal. Die Stanzkraft reicht bis zu 150 kN (Blech Rohre Profile, S. 32, 06/2002). Mit der bekannten Anlage können ebenfalls die beim erfindungsgemäßen Verfahren angeführten Profile nicht getrennt werden.

Die Firma LMC in DeKalb, USA entwickelt Prozesse und Anlagen zum Schneiden von Stangen und Rohren. Die Firma konzentriert sich nicht auf Profile, die beim eigenen erfindungsgemäßen Verfahren getrennt werden können. Auch mit dieser Anlage können die beim erfindungsgemäßen Verfahren angeführten Profile nicht getrennt werden.

Die Stuttgarter Fraunhofer-Technologiegruppe (TEG) berichtet über ein neues Verfahren zur Integration von Stanzautomaten. Es wird ein Werkzeug vorgestellt, das ausschließlich Draht mit rundem, eckigem oder beliebigen Querschnitt trennt (Industrieanzeiger 3/2003, S.40). Auch mit dieser Anlage können die beim erfindungsgemäßen Verfahren angeführten Profile nicht getrennt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet im Vergleich zu den bekannten Verfahren in überraschender Weise insbesondere die Herstellung von räumlich ausgestalteten Profilteilen, die sonst nicht in einfacher Weise mit großer Präzision und in hohen Stückzahlen erhältlich sind.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Pressen im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 20 m/sec, bevorzugt im Bereich von 10 bis 40 m/sec, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 m/sec. Im Bereich ab 10 m/sec wird der adiabatische Zustand erreicht.

Das Pressen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt mit einer kinetischen Energie im Bereich von 18 bis 40 kNm, bevorzugt im Bereich von 18 bis 20 kNm und insbesondere bevorzugt im Bereich von 18 kNM bis 25 kNm.

Im allgemeinen wird das erfindungsgemäße Pressen mit einer Schlagfrequenz im Bereich von 75 bis 700 Schlägen pro Minute, bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 Schlägen pro Minute und insbesondere bevorzugt im Bereich von 100 bis 180 Schlägen pro Minute durchgeführt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können im allgemeinen Profilteile aus metallischen Werkstoffen hergestellt werden. Metallische Werkstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise:
Profil S355JO (EN 10025)
Profil S355J2G3 (EN 10025)
Werkstoffe: z. B. S355JO (EN 10025), S355J2G3 (EN 10025), 25MnV5

Besonders bevorzugt ist die Bearbeitung von höher- und hochfesten Werkstoffen. Hochfeste Werkstoffe haben im allgemeinen eine Festigkeit die größer als 210 N/m² ist. Bevorzugt haben die höher- und hochfesten Werkstoffe eine Festigkeit im Bereich von 210 bis 800 Mpa (entspricht N/mm²).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:
Das Schneidverfahren wird entsprechend der Art der Schnittlinie in Verfahren mit geschlossener und offener Schnittlinie unterteilt.

Der geschlossene Schnitt erfolgt unter Einsatz von Schnittstempeln und Schneidplatten auf Pressen. Zu den Verfahren mit geschlossener Schnittlinie gehören das Ausschneiden und Lochen. Durch Ausschneiden wird die gesamte Außenform in einem Arbeitsgang am Werkzeug erzeugt. Durch Lochen wird die Innenform am Werkzeug erzeugt.

Zu den Verfahren mit offener Schnittlinie zählt neben dem Abschneiden (Abtrennen eines Teils vom Rohteil) auch das Ausklinken (Herausschneiden von Flächenteilen an einer inneren oder äußeren Umgrenzung mit offener Schnittlinie), das Einschneiden (teilweises Trennen des Werkstücks ohne Trennen von Werkstoff) und das Beschneiden (Abtrennen von am Werkstoff befindlichen Werkstoff, der am Fertigteil nicht mehr vorhanden sein darf).

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in unterschiedlichen Vorrichtungen durchführen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung von Profilteilen durch Trennen von Profilstangen, bestehend aus einem Werkzeug mit zwei parallel angeordneten Aktivteilen zum Einspannen der Profilstangen,

Mittels eines Druckstücks wird die Profilstange im Takt des Hochgeschwindigkeits-Schneidprozesses durch das Werkzeug mit den zwei parallel angeordneten Aktivteilen transportiert.

Bei der Verwendung von Glockenwerkzeugen wird bevorzugt, dass die Trennung der Profilstange durch gesteuerte Druck- und Zugwellen im Gewerbe und Steg erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann anhand der 1 bis 4 erläutert werden:
1 zeigt ein Glockenwerkzeug (Schneidstempel) zum Umformen von Profilteilen aus einer Profilstange (1). Die Profilstange (1) befindet sich zwischen den zugewandten Auflageseiten des unteren Aktivteils (Schnittplatte) und des oberen Aktivteils „Glockenwerkzeug" (2), die in Form von Matrizen ausgestaltet sind, bei denen jeweils die Form des zu bearbeitenden Profils (3) ausgespart ist. Die Schnittplatte ist hier nicht dargestellt. Die einzelnen Größen sind dargestellt. Die Profilstange (1) (Breite d, Länge e, Höhe Profilsteg g, Durchmesser des Gewerbes (Kopfteil) an der Profilstange h) ist in die Aussparung des Aktivteils (2) eingeschoben. Das Aktivteil (2) hat eine Breite (c), eine Tiefe (a) und eine Höhe (b). Das Profilteil hat eine Breite (d) und eine Tiefe (f).
2 zeigt einen Schnitt durch das Stanzwerkzeug von oben. Dargestellt ist die Grundplatte (1), die Kopfplatte (2), Schnittplatte (3), Niederhalter (4), Federpaket (5), Säulenführung (6), Schnittstempel (7). Die Säulenführung (6) dient zur Führung der Kopfplatte (2). Über Federpakete (5) wird die eingebrachte Bewegungsenergie gedämpft. Die Schnittplatte (3) ist das untere Aktivteil und dient als Gegenstück zum Schnittstempel (7). Zum Trennen des Werkstücks genügt ein Eintauchen des Schnittsstempels um maximal 1 bis 2 mm. Der Schnittstempel muss nicht zwangsweise durch die gesamte Wandstärke des Profilteiles schneiden. Die Schnittplatte (3) hat eine Aussparung die der Grundfläche des Werkstücks entspricht.
3 zeigt einen Schnitt durch das Stanzwerkzeug in der „Seitenansicht". Das Werkzeug zum Trennen von Profilteilen befindet sich mit der Grundplatte (1) auf einer festen Unterlage. Auf die obere Kopfplatte (2) mit dem dazugehörigen Schnittstempel (7) wird mit einem Stößel die Bewegungsenergie eingeleitet. Diese wird impulsartig auf die Kopfplatte aufgebracht. Die Kopfplatte (2) kann je nach Gestaltung der Hochgeschwindigkeitspresse mit dem Stößel der Hochgeschwindigkeitspresse gekoppelt oder nicht gekoppelt sein. Über Federpakete (5) wird die eingebrachte Bewegungsenergie gedämpft. Das ist vorteilhaft, damit der Prozess dynamisch stabilisiert werden kann.
Die 4 zeigt vier verschiedene als Glockenwerkzeug ausgebildete Schnittstempel (Glockenwerkzeug) (3) mit der Profilstange (4). Die Position des sogenannten „Gewerbes" (1) und die Orientierung des Steges (2) kann unterschiedlich angeordnet sein. Unter einem „Gewerbe" ist der Kopfteil z.B. eines Glockenwerkzeugs zu verstehen. Bei allen Variationen muss geometrisch und prozesstechnisch sichergestellt sein, dass die Druckwellen gezielt durch das Gewerbe (1) und den Steg (2) gehen. Teilweise kommt es an den vom Schnittstempel (3) nicht abgestützten Teil zu einer Reflexion mit Zugwellen. Bei entsprechender Gestaltung der Geometrie ist eine gebündelte Durchdringung des Gewerbes (1) und Steges (2) mit Druck- und Zugwellen möglich. Bei entsprechender Gestaltung des Prozesses werden die Anlagefläche (4), Gewerbe (1) und Steg (2) gleichzeitig durchtrennt. Dieser Prozess funktioniert nur unter adiabatischen Randbedingungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt zur Herstellung von Profilteilen verwendet.

Fig. 1:

1: Profilstange
2: Glockenwerkzeug
3: Profilteil
a: Tiefe Glockenwerkzeug
b: Höhe Glockenwerkzeug
c: Breite Glockenwerkzeug
d: Breite Profilstange
e: Länge Profilstange
f: Länge Profilteil
g: Höhe Profilsteg
h: Durchmesser Gewerbe an Profilstange

Fig. 2:

1: Grundplatte
4: Niederhalter
5: Federpaket
6: Führungssäule

Fig. 3:

1: Grundplatte
2: Kopfplatte
3: Schnittplatte
4: Niederhalter
5: Federpaket
6: Führungssäule
7: Stempel

Fig. 4:

1: Gewerbe
2: Profilsteg
3: Oberes Aktivteil (Glockenwerkzeug)
4: Anschraubfläche

Claims

Verfahren zur Herstellung von Profilteilen durch Trennen aus Profilstangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstange in ein Werkzeug zwischen zwei Aktivteilen eingespannt ist, – wobei die zugewandten Auflageseiten der Aktivteile in Form von Matrizen ausgestaltet sind, bei denen jeweils die Form des zu bearbeitenden Profils ausgespart ist, und – die Größen der Auflageseiten die Abmessungen des zu schneidenden Profilteils aufweisen, – wobei die Trennung adiabatisch bei einer sehr hohen Auftreffgeschwindigkeit des Schnittstempels erfolgt und – die Kraft über einen Stößel auf ein Aktivteil eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennprozess über die Aktivteile ausgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktivteil als Glockenwerkzeug ausgebildet ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 40 m/sec erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen mit einer kinetischen Energie im Bereich von 18 bis 20 kNm erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen mit einer Schlagfrequenz im Bereich von 100 bis 180 pro Minute erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstangen aus einem hochfesten Werkstoff bestehen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit des Werkstoffs größer als 800 N/m2 ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Profilteilen durch Trennen von Profilstangen, bestehend aus einem Werkzeug mit zwei parallel angeordneten Aktivteilen zum Einspannen der Profilstangen, – wobei die zugewandten Auflageseiten der Aktivteile in Form von Matrizen ausgestaltet sind, bei denen jeweils die Form des zu bearbeitenden Profils ausgespart ist, und – die Größen der Auflageseiten die Abmessungen des zu schneidenden Profilteils aufweisen, – wobei die Trennung adiabatisch bei einer sehr hohen Auftreffgeschwindigkeit des Schnittstempels erfolgt und – die Kraft über einen Stößel auf ein Aktivteil eingeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstange mittels eines Druckstücks im Takt des Hochgeschwindigkeits-Schneidens durch das Werkzeug mit zwei parallel angeordneten Aktivteilen transportiert wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochgeschwindigkeits-Trennen durch einen adiabatischen Prozess erfolgt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der Profilstange durch gesteuerte Druck- und Zugwellen im Gewerbe und Steg erfolgt.
Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12 zur Herstellung von Profilteilen.