DE2521696A1

DE2521696A1 - Verfahren zum abscheren von metall

Info

Publication number: DE2521696A1
Application number: DE19752521696
Authority: DE
Inventors: John Bernard Lightstone; Richard Benedict Mazzarella
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-15
Publication date: 1975-12-04
Also published as: GB1478812A; FR2271909B1; CA1020450A; FR2271909A1; US3979981A; JPS50160894A; ES437773A1; BE829216A; NL7505915A

Description

Verfahren zum Abscheren von Metall

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einem Verfahren zum Abscheren von Metall und betrifft insbesondere ein Metallabscherverfahren, das bei kryogenen Temperaturen durchgeführt wird.

Das Stanzen und Lochen sind Metallabschervorgänge, bei denen mit Hilfe eines Stempels und einer Matrize Formen aus flachem und vorgeformtem Rohmaterial ausgeschnitten werden. Das Stanzen und Lochen sind einander entsprechende Arbeitsvorgänge mit der Ausnahme, daß beim Lochen das ausgestanzte Teil Abfall darstellt und das umgebende Metall das Werkstück bildet, während beim Stanzen das ausgestanzte Teil das Werkstück ist. Ein Stanzteil stellt für gewöhnlich einen Rohling für ein geformtes Werkstück dar; weniger häufig ist das Stanzteil bereits das erwünschte Endprodukt.

Die beim Stanzen und Lochen anzutreffenden Mängel betreffen insbesondere die Güte und Genauigkeit des Metallschneidvorganges. Die abgescherten Kanten eines in einer herkömmlichen Matrize ausgebildeten Rohlings sind nicht über die volle Dicke des Teiles glatt und senkrecht; sie weisen vielmehr Ausbiegungen und

509849/0879

Grate auf« Zu einer Ausbiegung kommt es an den unteren Kanten des Rohlings infolge der plastischen Verformung des bearbeiteten Metalls, wenn dieses mittels des Stempels in die Matrize hineingepreßt wird, Wenn der Stempel (oder das Obergesenk) seinen Hub beendet, reißt der obere Teil der Kante des Rohlings, was zu einem Zerreißgrat entlang der Oberkante des Rohlings führt. Ausgestanzte Löcher werden in ähnlicher Weise beeinflußt= Die Seitenwand eines ausgestanzten Loches ist im allgemeinen nur für einen Teil der Dicke des Werkstückes nahe dem stempelseitigen Ende des Loches glatt und gerade; der restliche Teil der Wandung ist in Form eines unregelmäßigen Konus ausgebrochen, d. h. hat die Gestalt einer Bruch- oder Rißstelle. Der Lochvorgang beginnt in der Regel als ein Schnitt, der zu einer preßpolierten Oberfläche der Bohrungswand führt und eine gewisse Ausbiegung zur Folge hat. Am Ende des Hubes des Stempels wird das Metall abgerissen, das während des anfänglichen Teils des Lochvorganges nicht durchschnitten wurde. In der Regel nimmt der Grad der Ausbiegung an einem Rohling oder einem ausgestanzten Loch mit der Werkstückdicke zu, während er mit der Härte des Metalls kleiner wird.Verhältnismäßig dicke und weiche Metalle sind infolgedessen der unerwünschten plastischen Verformung während des Schervorganges besonders stark ausgesetzt.

Zu den herkömmlichen Verfahren zur Verbesserung der Güte der Wandung eines Loches oder des Profils einer Rohlingskante gehören das Räumen der Seitenwand des Loches, das Reiben, das Schnellstanzen, bei dem die plastische Verformung im Metall

S09849/Q879

klein gehalten wird, indem für verhältnismäßig hohe Belastungsraten gesorgt wird, und das Feinstanzen, bei welchem das Spiel zwischen dem Stempel und der Matrize je nach der Art des zu bearbeitenden Metalls unterhalb einer kritischen Abmessung gehalten wird. Diese Maßnahmen erhöhen jedoch den Kostenaufwand des Gesamtschervorganges wesentlich, weil die Bearbeitungszeit erhöht wird, zusätzliche Bearbeitungsvorgänge anfallen und/oder kostspielige Anlagen erforderlich sind. Beispielsweise nimmt beim Schnellstanzen die Standzeit von Stempel und Matrize (bzw. Obergesenk und Untergesenk) wegen der bei den höheren Arbeitsgeschwindigkeiten eintretenden stärkeren Abnutzung drastisch ab. Auf Grund der erhöhten Abnutzung der Werkzeuge verbunden mit dem relativ großen Energieaufwand für die rasch arbeitenden Maschinen scheidet das Gesamtverfahren für die meisten Anwendungen aus wirtschaftlichen Gründen aus.

Das Längsteilen oder Schlitzen und Abscheren von Blechen und Stabprofilen sind weitere Schervorgänge, bei denen das abgescherte Metall häufig eine Verformung erfährt. Beim Längsteilen wird ein Metallblech mittels eines kreisförmigen Messers in Streifen von vorgegebener Länge geschnitten, während Schienen und Stabprofile im allgemeinen zwischen einem Ober- und einem Untermesser abgeschert werden. Wenn Metallblech in verhältnismäßig schmale Streifen geschnitten wird, kommt es während des Längsteilvorganges häufig zu einem so starken Verwinden und Biegen der Streifen, daß je nach der beabsichtigten Anwendung ein anschließendes Geraderichten erforderlich wird. Beim Ab-

509849/0879

scheren von Stabprofilen wird das Werkstück im allgemeinen verformt, wenn das Obermesser nach unten gepreßt wird und das Metall durchreißt, was zu Graten entlang den Kanten führt. Infolgedessen besteht das Bedürfnis nach einem Scherverfahren, das es erlaubt, ein Material wie Bleche so längszuteilen, daß verhältnismäßig gerade und unverformte schmale Streifen erhalten werden, und mittels dessen Stabprofile bei einem Kleinstmaß an Verformung in einzelne Abschnitte unterteilt werden können«

Beim Abscheren von Metall wird der der abgescherten Kante benachbarte Werkstoff auf Grund der plastischen Verformung verfestigt, zu der es während der Bildung der abgescherten Kante kommt. Diese plastische Verformung setzt die Duktilität des Werkstoffes nahe den abgescherten Kanten herab, so daß während anschließender Formvorgänge häufig Risse in Erscheinung treten. Beim Stanzen und Lochen von weichmagnetischen Werkstoffen hat die Verfestigung unerwünschte magnetische Eigenschaften zur Folge. Infolgedessen ist ein Scherverfahren erwünscht, das den verfestigten Bereich nahe der abgescherten Kante erheblich verkleinert .

Mit der Erfindung soll ein Verfahren zum Abscheren von Metall geschaffen werden, das die Ausbildung von Ausbiegungen und Graten am Werkstück weitestgehend verhindert. Metallblech soll ohne Verwinden und Biegen in verhältnismäßig schmale Streifen geschnitten werden können. Der verfestigte Bereich soll in dem abgescherten Metall besonders klein gehalten werden.

509849/0879

Bei einem Verfahren zum Abscheren von Metall, das eine plastische Verformung an der abgescherten Metallkante im wesentlichen vermeidet, wird erfindungsgemäß das abzuscherende Metall auf eine kryogene Temperatur abgekühlt und, während es sich auf dieser kryogenen Temperatur befindet, unter Bildung eines Werkstükkes abgeschert, dessen Kanten im wesentlichen frei von plastischer Verformung und von Maßänderungen sind.

Der Begriff "Abscheren" wird vorliegend im technischen Sinne zur Bezeichnung von Metallformvorgängen verwendet, bei denen die auf das Werkstück ausgeübte Kraft einen Vektor darstellt, der parallel zu der zu verformenden Fläche verläuft. Dementsprechend werden unter "Abschervorgängen" vorliegend nur das Formstanzen, Stanzen, Lochen, Längsteilen und Abscheren von flachen Blechen oder von Stabprofilen zwischen Ober- und Untermessern verstanden.

Der Begriff "kryogene Temperatur" soll den Temperaturbereich umfassen, der herkömmlichen kryogenen Medien entspricht. Das Abkühlen des Werkstoffes auf eine "kryogene Temperatur" bedeutet daher ein Abkühlen auf Temperaturen unterhalb von -7O C, wobei als Kryogen vorzugsweise flüssiger Stickstoff verwendet wird. Zu anderen geeigneten kryogenen Medien gehören flüssiges Kohlendioxid (COp) und flüssiger Wasserstoff (HU)■

Der Begriff "Metall" ist vorliegend beschränkt auf Metalle und Legierungen mit einem kubisch-raumzentrierten Kristallgefüge, beispielsweise Eisen, Molybdän und Wolfram,

509849/0879

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die plastische Verformung und Verfestigung in einem abgescherten Werkstück aus kubisch-raumzentriertem Metall wesentlich herabgesetzt oder vollständig vermieden werden können, wenn das Werkstück während des Schervorganges auf einer ausreichend niedrigen Temperatur gehalten wird. Die Vermeidung von Ausbiegungen und Graten an einem abgescherten metallischen Werkstück, beispielsweise einem gestanzten Teil, dürfte darauf zurückzuführen sein, daß bei kryogenen Temperaturen eine adiabatische Erhitzung des Werkstückes leicht zu erreichen ist, wodurch die Verformungsenergie auf einen Bereich von relativ hoher Temperatur lokalisiert wird, wobei dieser Bereich der abzuscherenden ebenen Fläche entspricht. Der Haupteffekt der adiabatischen Erhitzung besteht also darin, die Verformung zu lokalisieren, indem eine Wärmediffusion von dem lokalisierten Scherbereich in das umgebende Metall verhindert wird. Dadurch wird sichergestellt, daß das umgebende Metall nicht duktil wird und eine plastische Verformung erfährt. Infolgedessen lassen sich Schervorgänge mit minimalen Verformungen, wie Ausbiegungen und Graten, an gestanzten Gegenständen bzw. mit mi- · nimalem Verwinden und Biegen an längsgeteilten oder abgescherten Metallstreifen ausführen.

Die Beseitigung eines plastisch verformten Bereichs nahe der abgescherten Kante ist besonders wichtig bei der Verarbeitung von weichmagnetischem Metallblech, wie es für Transformatorblechpakete benutzt wird. Eine Verfestigung nahe den abgescherten Kanten führt bei diesen Werkstoffen zu unerwünschten magnetischen

509849/0879

Verlusten. Infolgedessen ist es besonders vorteilhaft, solche
weichmagnetischen Werkstoffe gemäß dem Verfahren nach der Erfindung abzuscheren. Die im Anschluß an ein Abscheren bei Raumtemperatur normalerweise erforderliche Nachbehandlung, insbesondere ein Weichglühen, kann entfallen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
nach der Erfindung wird das metallische Werkstück auf eine kryogene Temperatur mit einem kryogenen Medium, beispielsweise flüssigem Stickstoff, heruntergekühlt, worauf das Abscheren in einem Stanz- oder Lochvorgang stattfindet. Die Verfahren, die sich zum Abkühlen des metallischen Werkstückes auf kryogene Temperaturen
einsetzen lassen, sind bekannt und variieren in Abhängigkeit von dem betreffenden Anwendungsfall. Beispielsweise liegt im Falle
von typischen Längsteilmaschinen oder Anordnungen, bei denen Rohlinge von einem Stahlstreifen abgeschert werden, das Ausgangsmaterial in Form einer Spule vor. Nachdem das Blech in einer Abrollhaspel abgewickelt ist, kann es durch einen Tank hindurchgeführt werden, der mit einem zweckentsprechenden kryogenen Medium, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Die Vorschubgeschwindigkeit' des Bleches und die Größe des kryogenen
Tanks sind so bemessen, daß die Verweildauer des Bleches in dem
kryogenen Medium ausreicht, um sicherzustellen, daß das Blech
auf die gewünschte kryogene Temperatur heruntergekühlt wird. Die Verweildauer des Bleches in dem kryogenen Medium ändert sich in
Abhängigkeit von der Blechdicke. Je dicker das Blech ist, umso
länger ist die erforderliche Verweildauer. Die Berechnung dieser

609849/0879

Dauer ist verhältnismäßig einfach. Statt dessen kann die notwendige Verweildauer für die Abkühlung des metallischen Werkstückes auf die gewünschte Temperatur auch experimentell bestimmt werden. Die Kühlwirkung des flüssigen Kryogens läßt sich wirtschaftlicher ausnutzen, wenn das von dem Flüssigkeitsbad verdampfte kalte Gas benutzt wird, um das von der Abrollhaspel kommende Blech vorzukühlen.

Wenn das Blech das Kryogenbad verläßt, wird es der Längsteilmaschine oder der Stanze oder Lochpresse mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die ausreichend hoch ist, um sicherzustellen, daß das Blech noch die gewünschte kryogene Temperatur hat, wenn das Metall mittels der Längsteilmesser bzw. der Stanz- oder Lochwerkzeuge abgeschert wird. Gegebenenfalls können die Längsteilmesser sowie die Stanz- oder Lochwerkzeuge ebenfalls auf eine kryogene Temperatur heruntergekühlt werden, um für eine zusätzliche Kühlung des zu bearbeitenden Metalls zu sorgen.

Runde Stabprofile werden vorzugsweise völlig analog dem vorstehend für aufgerolltes Blech beschriebenen Verfahren abgeschert. So wird das Profilmaterial zunächst auf eine kryogene Temperatur heruntergekühlt, indem es in ein kryogenes Medium, beispielsweise flüssigen Stickstoff, eingetaucht wird. Danach wird das gekühlte Profilmaterial zwischen Ober- und Untermesser einer Abschervorrichtung eingebracht, während sichergestellt wird, daß das Profilmaterial noch die gewünschte kryogene Temperatur hat, wenn der Schervorgang stattfindet.

509849/0879

Beispiel 1

Ein kaltgewalztes niedriggekohltes Stahlblech (Qualität 1O1O) von 1,5 mm Dicke und 152 mm Länge wurde durch Eintauchen in ein Bad aus flüssigem Stickstoff auf 77 K heruntergekühlt. Das Blech wurde dann aus dem Bad genommen und rasch zwischen Ober- und Untermesser einer Handblechschere gebracht. Die Messer hatten Raumtemperatur. Der Scherwinkel zwischen den Messern betrug 2 Grad. Von dem Blech wurde ein 9,5 mm breiter Streifen abgeschert. Der Streifen zeigte kein merkliches Verwinden oder Verbiegen .

Der oben beschriebene Versuch wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Werkstück bei Raumtemperatur abgeschert wurde, statt auf 77 K heruntergekühlt zu sein. Der erhaltene Metallstreifen war um 9O verwunden und war auf der Länge von 152 mm um 13 mm verbogen.

Beispiel 2

Ein kaltgewalztes niedriggekohltes Stahlblech (Qualität 1010) von 1,5 mm Dicke wurde durch Eintauchen in ein Bad von flüssigem Stickstoff auf 77 K heruntergekühlt. Das Blech wurde dann aus dem Bad entnommen und rasch zwischen Stempel und Matrize eines Stanzwerkzeuges gebracht. Das Spiel .zwischen Stempel und Matrize betrug 0,025 mm, Das Abscheren erfolgte mit einer Geschwin-

509849/0879

digkeit von 5 mm/min, Der vorstehend erläuterte Versuch wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Werkstück bei Raumtemperatur abgeschert wurde, statt auf 77 K heruntergekühlt zu sein Ein Vergleich der abgescherten Kanten, die an den metallischen Werkstücken in diesen beiden Versuchen ausgebildet wurden, er-» gab folgendes:

a) Im Falle des bei 77 K abgescherten Werkstückes war das Ausmaß der Ausbiegung um den Faktor 3 geringer.

b) Im Falle des bei 77 K abgescherten Werkstückes war die Tiefe des von der abgescherten Kante ausgehenden verfestigten Bereichs um den Faktor 3 kleiner.

c) Bei dem bei 77° K abgescherten Werkstück war die Grathöhe wesentlich geringer.

Bei einem größeren Spiel (d.h. einem Spiel von mehr als O.O25 mm) zwischen Stempel und Matrize muß mit entsprechend höheren Schergeschwindigkeiten gearbeitet werden, um Verbesserungen in der vorstehend genannten Größenordnung zu erzielen.

509849/0879

Claims

- 11 Ansprüche

1.)Verfahren zum Abscheren von Metall unter Vermeidung einer
plastischen Verformung an der abgescherten Metallkante, dadurch gekennzeichnet, daß das abzuscherende Metall auf eine kryogene Temperatur abgekühlt und, während es sich auf dieser kryogenen Temperatur befindet, unter Bildung eines Werkstückes abgeschert wird, dessen Kanten im wesentlichen frei von plastischer Verformung und von Maßänderungen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abscheren des metallischen Werkstückes in Form eines Stanzvorganges unter Verwendung eines Stempels und einer Matrize erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
metallische Werkstück in Form eines aufgespulten Bleches vorliegt und das Abscheren in Form eines Längsteilens des aufgewickelten Bleches in Streifen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Werkstück in Form eines flachen Bleches vorliegt und das Abscheren in Form eines Schneidvorganges zwischen einem Ober- und einem Untermesser erfolgt.

509843/0879

--12 —

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstück ein weichmagnetisches Metall verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Werkstück mittels flüssigem Stickstoff auf eine kryogene Temperatur heruntergekühlt wird.

509849/Π 879