DE4207165A1

DE4207165A1 - Stamping of metallic foil in piezoelectrically operated press - is performed with vertical oscillation of stamping punches held flat against both sides of foil and moved through less than half of its thickness

Info

Publication number: DE4207165A1
Application number: DE19924207165
Authority: DE
Inventors: Mitsuharu Nonami; Yukinori Kawamura; Kozo Matsumoto; Norikatsu Matsumoto; Fumisato Niino
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-09-09

Abstract

The stamping method involves driving a pair of stamping tools (5, 6) and a pair of stamping punches (7, 8) by piezoelectric actuators (10, 11) above and below foil (17) in a piezoelectrically operated press. The stamping process involves setting the stamping punches into vertical oscillation so that the foil is half-stamped and the stamping punches are retracted alternately. During each movement the stamping punches travel through a distance of about 10 to 40 percent of the thickness of the foil. ADVANTAGE - Foil with thickness of less than few tens of microns can be stamped exactly without formation of burrs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stanzen eines Werkstückes wie einer Metallfolie auf einer Presse, die mit als Energiequelle für den Antrieb der Stanzstempel dienenden piezoelektrischen Betätigern betrieben wird, insbesondere ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, und ferner den Aufbau von Stanzwerkzeugsätzen für die Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for punching a workpiece like a metal foil on a press that is used as an energy source for the drive of the punch-used piezoelectric actuators is operated, in particular a method according to the preamble of claim 1, and further the construction of punching tool sets for the execution of the procedure.

In letzter Zeit wurde die Genauigkeit und die Qualität von mittels Sche rung hergestellten Präzisionsteilen aufgrund des Fortschrittes in der Schertechnik, in der Stanzwerkzeugfertigungstechnik und der erhöhten Leistung der Pressen erheblich verbessert. Im Bereich der Fertigung von Präzisionsteilen, deren Genauigkeit in der Größenordnung von Mi krometern liegt, wurde versucht, ein Verfahren zur Herstellung von elektronischen Teilen wie etwa Leitungsrahmen, die bis dahin durch Ätzen hergestellt wurden, durch eine Schertechnik anzuwenden.Lately, the accuracy and quality of Sche manufactured precision parts due to the progress in Shear technology, in the punching tool manufacturing technology and the increased Press performance significantly improved. In the area of manufacturing of precision parts, the accuracy of which is of the order of Mi tried a process for the production of electronic parts, such as lead frames, which have been Etching were made using a shear technique.

Andererseits ist eine Presse zum Stanzen einer dünnen Metallfolie mit sehr geringer Dicke (weniger als 100 µm) und hoher Präzision durch aus Stand der Technik. Genauer ist aus JP-1 27 997-A (1990) eine Presse mit als Energiequelle für den Antrieb der Stanzstempel dienen den, scherkrafterzeugenden piezoelektrischen Betätigern bekannt, die nach einer hin- und hergehenden Arbeitsweise funktioniert, um einen Werkstoff oder ein Werkstück zu stanzen.On the other hand, a press for punching a thin metal foil is included very small thickness (less than 100 µm) and high precision from the state of the art. More precisely is one from JP-1 27 997-A (1990) Press also serve as an energy source for driving the punch known to the shear force generating piezoelectric actuators that after a back and forth way of working works to one To punch material or a workpiece.

In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der obenbeschriebenen Presse eines hin- und hergehenden Stanzverfahrens, die mit piezoelek trischen Betätigern arbeitet, gezeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind ver schiedene Komponenten wie etwa ein oberer Stanzwerkzeugsatz 2, ein unterer Stanzwerkzeugsatz 3, eine bewegliche Niederhaltevorrichtung 4, obere Stanzwerkzeuge 5, untere Stanzwerkzeuge 6, ein oberer Stanzstempel 7, ein unterer Stanzstempel 8 und piezoelektrische Betäti ger 9 zum Betreiben der Niederhaltevorrichtung 4 in einem Rahmen 1 untergebracht. Die Gehäuse 1a und 1b sind oben bzw. unten am Rah men 1 befestigt. Im Gehäuse 1a sind ein piezoelektrischer Betätiger 10 für den Antrieb des oberen Stanzstempels 7, ein bewegliches Stück 12a (das ein Stangenelement zur Übertragung der Verschiebung des piezo elektrischen Betätigers auf den Stanzstempel darstellt) und eine vorge spannte Feder 13a untergebracht. In ähnlicher Weise sind im Gehäuse 1b ein piezoelektrischer Betätiger 11 für den Antrieb des unteren Stanzstempels 8, ein bewegliches Stück 12b (das ein Stangenelement zur Übertragung der Verschiebung des piezoelektrischen Betätigers auf den Stanzstempel darstellt) und eine vorgespannte Feder 13b unterge bracht. Außerdem bezeichnet in Fig. 5 das Bezugszeichen 14 die Schrauben, die die Sätze 2 und 3 innerhalb des Rahmens 1 sichern, das Bezugszeichen 15 die Federn, die der Niederhaltevorrichtung 4 Energie zuzuführen, und das Bezugszeichen 16 die Rückstellfedern, die die Stanzstempel 7 und 8 zurückstellen.In Fig. 5 is a schematic representation of the above-described press of a reciprocating punching method, which works with piezoelectric actuators. As shown in FIG. 5, various components such as an upper punch set 2 , a lower punch set 3 , a movable hold-down device 4 , upper punch tools 5 , lower punch tools 6 , an upper punch 7 , a lower punch 8 and piezoelectric actuators 9 are for operating the hold-down device 4 housed in a frame 1 . The housing 1 a and 1 b are attached to the frame 1 at the top and bottom, respectively. In the housing 1 a, a piezoelectric actuator 10 for driving the upper punch 7 , a movable piece 12 a (which is a rod element for transmitting the displacement of the piezoelectric actuator to the punch) and a pre-tensioned spring 13 a are housed. Similarly, a piezoelectric actuator 11 for driving the lower punch 8 , a movable piece 12 b (which is a rod element for transmitting the displacement of the piezoelectric actuator to the punch) and a preloaded spring 13 b are housed in the housing 1 b. In addition, in FIG. 5, reference numeral 14 denotes the screws that secure sets 2 and 3 within frame 1 , reference numeral 15 denotes the springs that supply energy to hold-down device 4 , and reference numeral 16 denotes return springs that hold punches 7 and 8 put back.

Das Stanzen eines Werkstückes 17 wie etwa einer Metallfolie auf einer so aufgebauten Presse erfolgt in folgender Weise:A workpiece 17, such as a metal foil, is punched on a press constructed in this way in the following way:

Die piezoelektrischen Betätiger 9 werden so betrieben, daß die beweg liche Niederhaltevorrichtung 4 nach oben bewegt wird, wodurch zwi schen den oberen und den unteren Stanzwerkzeugen 5 bzw. 6 ein Zwi schenraum entsteht. In diesem Zustand wird das Werkstück 17 in den Zwischenraum zwischen den oberen und den unteren Stanzwerkzeugen 5 bzw. 6 eingeführt, woraufhin die piezoelektrischen Betätiger 9 in ihre ursprüngliche Lage zurückversetzt werden, so daß das Werkstück 17 zwischen den oberen und den unteren Stanzwerkzeugen 5 bzw. 6 ein geklemmt wird. Danach werden der obere Stanzstempel 7 und der un tere Stanzstempel 8 abwechselnd ausgefahren, indem an die piezoelek trischen Betätiger 10 und 11 eine Spannung angelegt wird. Somit wird das Werkstück durch sogenanntes "hin- und hergehendes Stanzen" ge stanzt. Nach dem Stanzen des Werkstückes in dieser Weise werden die piezoelektrischen Betätiger 9 wieder so betrieben, daß die bewegliche Niederhaltevorrichtung 4 nach oben bewegt wird, wodurch das Werk stück 17 freigegeben wird. Das so freigegebene Werkstück 17 wird auf einer festgelegten Strecke zu der nächsten Bearbeitungsposition trans portiert.The piezoelectric actuators 9 are operated so that the movable holding-down device 4 is moved upwards, thereby creating an intermediate space between the upper and lower punching tools 5 and 6 . In this state, the workpiece 17 is inserted into the intermediate space between the upper and lower punches 5 and 6, respectively, and then the piezoelectric actuators are returned to their original position 9, so that the workpiece 17 between the upper and lower punches 5 and 6 is clamped. Then the upper punch 7 and the lower punch 8 are extended alternately by applying a voltage to the piezoelectric actuator 10 and 11 . Thus, the workpiece is punched by so-called "reciprocating punching". After punching the workpiece in this way, the piezoelectric actuators 9 are operated again so that the movable hold-down device 4 is moved upwards, whereby the workpiece 17 is released. The workpiece 17 released in this way is transported to the next machining position on a defined route.

Das obengenannte Verfahren des hin- und hergehenden Stanzens wird nun mit Bezug auf Fig. 6 genauer beschrieben. In Fig. 6(a) ist ein An fangszustand gezeigt, in dem das Werkstück 17 zwischen dem oberen und dem unteren Stanzwerkzeug 5 und 6 eingeklemmt ist. Im Anfangs zustand werden sowohl der obere Stanzstempel 7 als auch der untere Stanzstempel 8 in zurückgezogener Position gehalten. Wenn unter die sen Umständen an den piezoelektrischen Betätiger 10 (Fig. 5) eine Spannung angelegt wird, wird der obere Stanzstempel 7, wie in Fig. 6(b) gezeigt, nach unten bewegt und dringt in das Werkstück 17 ein, wodurch dieses aufgrund einer Scherung von oben verformt wird. Die ser Vorgang, durch den das Werkstück zur Hälfte gestanzt wird, wird im folgenden, falls anwendbar, als "Halbstanzen" bezeichnet. Danach wird der obere Stanzstempel 7 nach oben bewegt, während an den pie zoelektrischen Betätiger 11 eine Spannung angelegt wird, um den unte ren Stanzstempel 8 nach oben zu bewegen, wobei das Werkstück so von unten verformt wird, daß der Teil des Werkstückes, der in dem obenbeschriebenen Halbstanzvorgang verformt wurde, zurückgedrückt wird, wie in Fig. 6(c) dargestellt ist. Dieser Vorgang wird im folgen den, falls anwendbar, als "Zurückstanzen" bezeichnet. Auf diese Weise wird durch das Stanzen ein Teil 17a gebildet, das im folgenden, falls anwendbar, als "gestanztes Teil 17a" bezeichnet wird. Das gestanzte Teil 17a wir vom Werkstück 17 getrennt, indem es entlang der Scher fläche bewegt wird. Im letzten Schritt wird der obere Stanzstempel 7, wie in Fig. 6(d) gezeigt, so betätigt, daß das gestanzte Teil 17a vom oberen Stanzstempel 7 zurück in das Werkstück 17 gedrückt wird.The above-mentioned reciprocating punching method will now be described in more detail with reference to FIG. 6. In Fig. 6 (a) an initial state is shown in which the workpiece 17 is clamped between the upper and lower punch 5 and 6 . In the initial state, both the upper punch 7 and the lower punch 8 are held in the retracted position. Under the circumstances, when a voltage is applied to the piezoelectric actuator 10 ( Fig. 5), the upper punch 7 , as shown in Fig. 6 (b), is moved down and penetrates into the workpiece 17 , thereby causing this a shear is deformed from above. This process, through which the workpiece is punched in half, is referred to below as "half punching", if applicable. Thereafter, the upper punch 7 is moved upward, while a voltage is applied to the pie zoelectric actuator 11 to move the lower punch 8 upward, the workpiece being deformed from below so that the part of the workpiece which in is deformed in the above-described half-punching operation, as shown in Fig. 6 (c). This process is referred to in the following, if applicable, as "punching back". In this way, a part 17 a is formed by stamping, which is referred to below, if applicable, as "stamped part 17 a". The stamped part 17 a we separated from the workpiece 17 by moving it along the shear surface. In the last step, the upper punch 7 , as shown in Fig. 6 (d), is operated so that the stamped part 17 a is pressed back into the workpiece 17 by the upper punch 7 .

Fig. 7 zeigt eine Mikrophotographie der gescherten Oberfläche einer Kupferfolie von 80 µm Dicke, die nach dem obengenannten hin- und hergehenden Stanzverfahren geschert wurde. Wie man im Bild erkennt, wurden im oberen und unteren Teil der Schnittfläche gescherte Ober flächen gebildet, während im mittleren Teil eine Bruchoberfläche vor liegt. In diesem Experiment waren die Stanzwerkzeuge so beschaffen, daß der Zwischenraum auf der Seite des Stanzstempels für das Halbstanzen 2% der Dicke der Kupferfolie betrug, während der Zwi schenraum auf der Seite des Stanzstempels für das Zurückstanzen 4% der Dicke der Kupferfolie betrug. Fig. 7 shows a microphotograph of the sheared surface of a copper foil 80 µm thick, which was sheared by the above-mentioned reciprocating stamping process. As you can see in the picture, sheared surfaces were formed in the upper and lower part of the cut surface, while in the middle part there is a fractured surface. In this experiment, the punches were such that the gap on the side of the punch for the half punch was 2% of the thickness of the copper foil, while the gap on the side of the punch for the back punch was 4% of the thickness of the copper foil.

Die Erfinder haben durch eine Reihe von Experimenten herausgefun den, daß die Genauigkeit der Position der Stanzstempel und der Ab stand zu den Stanzwerkzeugen die Genauigkeit der Herstellung von ge scherten Folien mit einer Dicke von weniger als 50 µm mittels hin- und hergehender Stanzung stark beeinflussen. Wenn ein Werkstück gemäß dem obengenannten hin- und hergehenden Stanzverfahren gestanzt wird, kann im allgemeinen eine befriedigende Scheroberfläche erzielt werden, wenn der Stanzwerkzeugabstand kleiner als 10% der Dicke des Werkstückes ist. Falls allerdings eine Metallfolie mit einigen 10 Mikrometern Dicke mit einer komplizierten Stanzform gestanzt wird, ist es sehr schwierig den Stanzwerkzeugabstand auf einen passenden Wert von weniger als 10% der Dicke der Metallfolie zu setzen. Des halb bilden sich beim Stanzen von harten Werkstücken wie etwa einer Folie aus rostfreiem Stahl an den aufgrund der Scherwirkung entstan denen Schnittkanten Grate.The inventors found out through a series of experiments that the accuracy of the position of the punch and the Ab the accuracy of the manufacture of ge sheared foils with a thickness of less than 50 µm back and forth influence the punching. If a workpiece according to the above-mentioned reciprocating punching process a satisfactory shear surface can generally be achieved if the punch distance is less than 10% of the thickness of the workpiece. However, if a metal foil with some 10 Micrometer thickness is punched with a complicated die, it is very difficult to match the punch distance to a suitable one To put value less than 10% of the thickness of the metal foil. Des half form when punching hard workpieces such as one Foil made of stainless steel due to the shear effect which cut edges burrs.

In Fig. 8 ist eine Mikrophotographie des Bereiches der Schnittfläche der Kupferfolie aus Fig. 7 gezeigt, die sofort nach dem Zurückstanz vorgang aufgenommen wurde. Am unteren Ende der Schnittfläche des rechten Teiles befindet sich ein Grat. Wenn daher ein Werkstück nach dem herkömmlichen hin- und hergehenden Stanzverfahren gestanzt wird, können leicht Grate an den Schnittflächen entstehen, wodurch die Qualität der Scheroberfläche des entstehenden Produktes unbefriedi gend wird. FIG. 8 shows a photomicrograph of the area of the cut surface of the copper foil from FIG. 7, which was taken immediately after the back punching process. There is a burr at the lower end of the cut surface of the right part. Therefore, if a workpiece is punched using the conventional reciprocating punching process, burrs can easily occur on the cut surfaces, making the quality of the shear surface of the resulting product unsatisfactory.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und Stanzwerkzeugsätze für die Ausführung dieses Verfahrens zu schaffen, um ein exaktes Stanzen einer Metallfolie mit einer Dicke von weniger als einigen zehn Mikrometern auf einer mit piezoelektrischen Betätigern betriebenen Presse im wesentlichen ohne Bildung von Gra ten zu ermöglichen.It is therefore an object of the present invention, a method and die sets for performing this method create an exact punching of a metal foil with a thickness of less than a few tens of micrometers on one with piezoelectric Actuators operated press essentially without the formation of Gra to enable.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Stanzen einer Metallfolie auf einer Presse, bei der ein Paar von Stanz stempeln von einem entsprechenden Paar piezoelektrischer Betätiger vertikal in Schwingung versetzt wird, so daß abwechselnd ein Halbstanzen und ein Zurückstanzen ausgeführt wird, um die Metallfolie zu stanzen, während die Stanzstempel stumpf gegen die beiden Seiten einer zwischen dem Paar von Stanzwerkzeugen eingeklemmten Metall folie stoßen.The object is achieved by a method for Stamping a metal foil on a press using a pair of stamping stamp from a corresponding pair of piezoelectric actuators is vibrated vertically, so that alternately a Half-punching and back punching is performed around the metal foil to punch while the punches blunt against both sides a metal pinched between the pair of dies bump foil.

Bei jedem Halbstanzen oder Zurückstanzen beträgt der Hub des Stanz stempels 10% bis 40% der Dicke der Metallfolie. Zusammen mit dem Halbstanzen und dem Zurückstanzen werden die piezoelektrischen Be tätiger abwechselnd durch das Anlegen von positiver Spannung akti viert, um die Stanzstempel vertikal in Schwingung zu versetzen. Um die Folie unter Druck sicher zurückzuhalten, wird bei dem erfindungs gemäßen Verfahren nach dem Anlegen einer positiven Spannung an einen der piezoelektrischen Betätiger mit kurzer Verzögerung eine ne gative Spannung an den anderen piezoelektrischen Betätiger angelegt.Each time you punch or punch back, the stroke of the punch is stamp 10% to 40% of the thickness of the metal foil. Together with the Half-punching and punching back are the piezoelectric Be active alternately by applying positive voltage acti fourth to vibrate the punches vertically. Around to hold back the film safely under pressure is the fiction according to the procedure after applying a positive voltage one of the piezoelectric actuators with a short delay a ne negative voltage applied to the other piezoelectric actuator.

Zusätzlich sind entweder die Kanten der Stanzwerkzeuge oder die der Stanzstempel mit Fasen versehen, um eine Gratbildung in dem Fall zu vermeiden, daß der Stanzwerkzeug-Zwischenraum im Verhältnis zur Dicke der Metallfolie groß ist.In addition, either the edges of the punching tools or those of Stamp the punch with chamfers to prevent burrs in the case avoid that the punch space in relation to the The thickness of the metal foil is large.

Wie oben beschrieben, werden die Stanzstempel bei der abwechselnden Ausführung des Halbstanzens und des Zurückstanzens von den piezo elektrischen Betätigern lediglich um eine Strecke von 10% bis 40% der Dicke der Metallfolie und damit um weniger als im herkömmlichen hin- und hergehenden Stanzverfahren bewegt, wobei die Stanzstempel stumpf gegen die beiden Oberflächen der zwischen dem Paar von Stanzwerkzeugen eingeklemmten Metallfolie stoßen. Somit wird die Metallfolie von den von oben und von unten in sie eindringenden Stanzstempeln geschert und entlang der Scheroberfläche durch niedrige zyklische Materialermüdung gebrochen. Somit wird das Stanzen der Metallfolie ohne Ausbildung von Graten erreicht.As described above, the punches are alternating Execution of half-punching and punching back of the piezo electrical actuators only by a distance of 10% to 40% of the Thickness of the metal foil and thus less than in the conventional reciprocating punching process moves, the punch butt against the two surfaces of the between the pair of Punch the punched metal foil. Thus the Metal foil from those penetrating into it from above and from below Stamping dies sheared and along the shear surface by low cyclical material fatigue broken. Thus the punching of the Metal foil reached without the formation of burrs.

Die piezoelektrischen Betätiger werden abwechselnd durch Anlegen ei nes positiven Signales aktiviert, um abwechselnd den oberen und unte ren Stanzstempel anzutreiben. Nachdem eine positive Spannung an einen der piezoelektrischen Betätiger angelegt wurde, wird mit kurzer Verzögerung eine negative Spannung an den anderen piezoelektrischen Betätiger angelegt. Somit wird die elastische Charakteristik der piezo elektrischen Betätiger und die Hysterese-Charakteristik der Verschie bung mit ihrer Spannung wirksam ausgenützt. Während die Metallfolie mit Druck zurückgehalten wird, kann das Halbstanzen und das Zurück stanzen ausgeführt werden. Da die Stanzstempel stumpf auf die beiden Oberflächen der Metallfolie stoßen, wird zusätzlich verhindert, daß sie während des Stanzens gebogen wird.The piezoelectric actuators are alternately egg by nes positive signal activated to alternate the upper and lower to drive their punch. Having a positive tension one of the piezoelectric actuators has been created with a short Delay a negative voltage on the other piezoelectric Actuator created. Thus, the elastic characteristic of the piezo electrical actuator and the hysteresis characteristic of the diff Exercise effectively used with their tension. While the metal foil is held back with pressure, the half-punching and the back can punching. Since the punch die blunt on the two Bump surfaces of the metal foil, it is also prevented is bent during punching.

In dem Fall, daß der Stanzwerkzeug-Zwischenraum groß ist (50% bis 100% der Dicke der Metallfolie), wird die Spannung im Werkstück auf beide Seiten des Zwischenraumes konzentriert, wenn das Halbstanzen und das Zurückstanzen wiederholt ausgeführt werden. Dadurch können aufgrund einer Doppelscherung Grate entstehen. Dieses Problem kann durch Abfasen der Kanten der Stanzwerkzeuge oder derjenigen der Stanzstempel gelöst werden. Dadurch wird die Spannungskonzentration in der Metallfolie auf der Seite der gefasten Kanten verringert und das Auftreten der Doppelscherung und damit die Bildung von Graten ver mieden. Deshalb zeigt das entstehende Produkt sehr gute Schnittflä chen. In the event that the punch space is large (50% to 100% of the thickness of the metal foil), the tension in the workpiece is increased both sides of the gap are concentrated when the half-punching and the punch back are performed repeatedly. This allows burrs occur due to double shear. This problem can by chamfering the edges of the punching tools or those of Punch stamps are released. This causes the stress concentration reduced in the metal foil on the side of the chamfered edges and that Occurrence of double shear and thus the formation of ridges ver avoided. Therefore, the resulting product shows very good cutting surfaces chen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung beziehen, angegeben.Further objects, features and advantages of the invention are in the Subclaims relating to preferred embodiments of the related invention specified.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausfüh rungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:The invention is based on a preferred embodiment tion form explained with reference to the drawings; show it:

Fig. 1 eine Darstellung für die Erläuterung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Stanzen eines Werkstückes wie etwa einer Metallfolie auf einer Presse, wobei die elektrischen Spannungen, die an die piezoelektrischen Betätiger angelegt werden, und die Bewegungen der von den piezoelektrischen Betätigern angetriebenen oberen und unteren Stanzstempel darge stellt sind; Fig. 1 is an illustration for explaining an exemplary method according to the invention for punching a workpiece such as a metal foil on a press, the electrical voltages that are applied to the piezoelectric actuators, and the movements of the upper and lower punches driven by the piezoelectric actuators Darge are;

Fig. 2 den Stanzvorgang einer Metallfolie, wenn die Stanz werkzeuge relativ große Zwischenräume aufweisen; ge nauer Figure 2 shows the punching process of a metal foil when the punching tools have relatively large spaces. more accurate

Fig. 2(a) eine Darstellung des zwischen die Stanzwerkzeuge eingeklemmten Werkstückes; Fig. 2 (a) is an illustration of the clamped between the punches workpiece;

Fig. 2(b) eine Darstellung des von oben mittig gescherten Werk stückes (Vorgang des Halbstanzens); Fig. 2 (b) is a representation of the piece sheared from above in the middle (process of half-punching);

Fig. 2(c) eine Darstellung des von unten gescherten Werkstückes (Vorgang des Zurückstanzens); und Fig. 2 (c) is an illustration of the workpiece sheared from below (punching back process); and

Fig. 2(d) eine Darstellung der Schnittfläche des so gestanzten Werkstückes; Fig. 2 (d) is an illustration of the cut surface of the workpiece thus punched;

Fig. 3 die Stanzwerkzeuge, die in dem erfindungsgemäßen Ver fahren verwendet werden, und die Schnittfläche eines mit den Stanzwerkzeugen gestanzten Werkstückes; ge nauer FIG. 3 shows the punching tools used in the inventive drive Ver, and the sectional area of a punched with the punching tools workpiece; more accurate

Fig. 3(a) eine Darstellung des zwischen den Stanzwerkzeugen eingeklemmten Werkstückes; und Fig. 3 (a) is an illustration of the clamped between the punches workpiece; and

Fig. 3(b) eine Darstellung der Schnittflächen der Metallfolie; Fig. 3 (b) a representation of the sectional areas of the metal foil;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Größe des Hubes eines Stanzstempels gegen die Vibrationsfrequenz des Stanz stempels beim Scheren eines Werkstückes in dem erfin dungsgemäßen Verfahren; Figure 4 is a graphical representation of the size of the stroke of a punch against the vibration frequency of the punch when shearing a workpiece in the inventive method.

Fig. 5 eine Darstellung der Anordnung einer mit piezoelektri schen Betätigern arbeitenden Presse, in der das erfin dungsgemäße Verfahren angewendet wird; Fig. 5 is an illustration of the arrangement of a press working with piezoelectric actuators, in which the inventive method is applied;

Fig. 6 ein herkömmliches hin- und hergehendes Stanzverfah ren; genauer Fig. 6 shows a conventional reciprocating punching process; more accurate

Fig. 6(a) eine Darstellung eines Anfangsschrittes, in dem ein Werkstück zwischen den Stanzwerkzeugen eingeklemmt ist; Fig. 6 (a) is an illustration of an initial step in which a workpiece is clamped between the punches;

Fig. 6(b) eine Darstellung eines zweiten Schrittes, in dem ein oberer Stanzstempel mittig in das Werkstück eindringt (Vorgang des Halbstanzens); Fig. 6 (b) is an illustration of a second step in which an upper punch enters the workpiece in the center (half-punching process);

Fig. 6(c) eine Darstellung eines dritten Schrittes, in dem ein un terer Stanzstempel in entgegengesetzter Richtung bewegt wird (Vorgang des Zurückstanzens); und Fig. 6 (c) is an illustration of a third step in which a lower punch is moved in the opposite direction (punching back process); and

Fig. 6(d) eine Darstellung des letzten Schrittes, in dem das aus dem Werkstück gescherte Teil wieder in dieses zurückgedrückt wird; Fig. 6 (d) is an illustration of the last step, in which the sheared from the workpiece part is pushed back again in this;

Fig. 7 eine von vorne aufgenommene Mikrophotographie der Schnittfläche einer Probe, die gemäß dem herkömmli chen hin- und hergehenden Stanzverfahren gestanzt wurde; Fig. 7 is a microphotograph taken from the front of the cut surface of a sample which has been punched in accordance with the conventional reciprocating punching method;

Fig. 8 eine Mikrophotographie des Querschnittes der in Fig. 7 gezeigten Schnittfläche; Fig. 8 is a microphotograph of the cross section of the sectional area shown in Fig. 7;

Fig. 9 eine Mikrophotographie des Querschnittes der Schnitt fläche einer Probe, die gemäß dem Verfahren der Erfin dung gestanzt wurde; und Fig. 9 is a photomicrograph of the cross section of the cut surface of a sample punched according to the method of the invention; and

Fig. 10 eine von vorne aufgenommene Mikrophotographie der in Fig. 9 gezeigten Schnittfläche. Fig. 10 is a microphotograph taken from the front of the sectional area shown in Fig. 9.

In Fig. 1 ist eine Darstellung gezeigt, die zur Erläuterung eines Bei spiels eines erfindungsgemäßen Metallfolienstanzverfahrens dient. Zur Ausführung des Verfahrens wird eine mit piezoelektrischen Betätigern betriebene Presse verwendet, die den gleichen Aufbau wie die mit Be zug auf Fig. 5 beschriebene Presse besitzt. In Fig. 1 sind die Teile, die in ihrer Funktion denen entsprechen, die mit Bezug auf Fig. 5 be schrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die obere Hälfte von Fig. 1 zeigt die Bewegung der oberen und unteren Stanz stempel 7 und 8 und die daraus resultierende Verformung eines Werk stückes 17 mit den Schritten 1 bis 5. Die untere Hälfte der Fig. 1 zeigt die elektrischen Spannungen, die an die piezoelektrischen Betätiger für den oberen oder den unteren Stanzstempel angelegt werden. Diese pie zoelektrischen Betätiger steuern die Stanzstempel wie folgt: Beim An legen einer positiven Spannung bewegen die piezoelektrischen Betätiger den oberen und den unteren Stanzstempel auf das Werkstück 17 zu, während beim Anlegen einer negativen Spannung (-) die Stanzstempel vom Werkstück 17 gemäß der Hysterese-Charakteristik entfernt wer den.In Fig. 1, a representation is shown which serves to explain an example of a metal foil stamping method according to the invention. To carry out the method, a press operated with piezoelectric actuators is used, which has the same structure as the press described with reference to FIG. 5. In Fig. 1, the parts that correspond in function to those described with reference to Fig. 5 be denoted by the same reference numerals. The upper half of Fig. 1 shows the movement of the upper and lower punch 7 and 8 and the resulting deformation of a workpiece 17 with steps 1 to 5 . The lower half of FIG. 1 shows the electrical voltages that are applied to the piezoelectric actuators for the upper or the lower punch. These piezoelectric actuators control the punches as follows: When a positive voltage is applied, the piezoelectric actuators move the upper and lower punches toward the workpiece 17 , while when a negative voltage (-) is applied, the punches from the workpiece 17 are moved according to the hysteresis. Characteristics removed.

Im Schritt 1 wird das Werkstück 17 zwischen dem oberen Stanzwerk zeug 5 und dem unteren Stanzwerkzeug 6 gehalten; außerdem befinden sich beide Stanzstempel 7 und 8 in ihren jeweiligen Ausgangspositio nen. Im Schritt 2, d. h. im Halbstanz-Schritt, wird an den piezoelektri schen Betätiger 10 (Fig. 5), der dem oberen Stanzstempel 7 zugeordnet ist, zum Zeitpunkt t₁ eine positive Spannung angelegt, so daß der pie zoelektrische Betätiger 10 den oberen Stanzstempel 7 in Richtung des Werkstückes 17 bewegt. Daraufhin dringt der Stanzstempel 7 in das zwischen dem oberen und dem unteren Stanzwerkzeug 5 und 6 gehal tene Werkstück 17 ein und verformt dieses durch Scherung. Während dieses Vorganges wird der piezoelektrische Betätiger 11 für den unte ren Stanzstempel 8 entsprechend seiner eigenen Federkonstante und in Verbindung mit der Bewegung des oberen Stanzstempels 7 im eingezo genen Zustand gehalten. Zum Zeitpunkt t₂, kurz nach dem Zeitpunkt t₁, wird an den piezoelektrischen Betätiger 11 eine negative Spannung an gelegt, woraufhin sich der Betätiger 11 zusammenzieht und den Stanz stempel 8 weiter nach unten bewegt. Somit wird der obere Stanzstem pel 7 entlang einer festgelegten Strecke (ungefähr 10% bis 40% der Dicke des Werkstückes 17) bewegt, während das Werkstück 17 wie oben beschrieben gehalten wird. In der zweiten Hälfte von Schritt 2, zum Zeitpunkt t₃, wird die negative Spannung für den piezoelektrischen Betätiger 11 unterbrochen. Zum Zeitpunkt t₄, d. h. kurze Zeit später, wird auch die positive Spannung für den piezoelektrischen Betätiger 10 unterbrochen.In step 1 , the workpiece 17 between the upper punch 5 and the lower punch 6 is held; in addition, both stamps 7 and 8 are in their respective starting positions. In step 2 , ie in the half-punching step, a positive voltage is applied to the piezoelectric actuator 10 ( FIG. 5), which is assigned to the upper punch 7 , at time t ₁ , so that the piezoelectric actuator 10 has the upper punch 7 moved in the direction of the workpiece 17 . Thereupon the punch 7 penetrates into the workpiece 17 held between the upper and the lower punch 5 and 6 and deforms it by shearing. During this process, the piezoelectric actuator 11 is held for the lower punch 8 according to its own spring constant and in connection with the movement of the upper punch 7 in the drawn state. At time t ₂ , shortly after time t ₁ , a negative voltage is applied to the piezoelectric actuator 11 , whereupon the actuator 11 contracts and the punch 8 moves further downward. Thus, the upper punch 7 is moved along a predetermined distance (approximately 10% to 40% of the thickness of the workpiece 17 ) while the workpiece 17 is held as described above. In the second half of step 2 , at time t ₃ , the negative voltage for the piezoelectric actuator 11 is interrupted. At time t ₄ , ie a short time later, the positive voltage for the piezoelectric actuator 10 is also interrupted.

In dem folgenden Schritt 3, d. h. einem Zurückstanz-Schritt, wird im Gegensatz zu dem obenbeschriebenen Schritt 2 am piezoelektrischen Betätiger 11 eine positive Spannung angelegt, so daß der untere Stanz stempel 8 nach oben bewegt wird, während das Werkstück 17 zwischen den oberen und unteren Stanzwerkzeugen 5 bzw. 6 gehalten wird. So mit wird der Teil des Werkstückes, der durch die Scherung im Schritt 2 verformt wurde, nach oben in den oberen Stanzstempel gedrückt. Im Schritt 3 wird das Anlegen der Spannungen für die piezoelektrischen Betätiger 10 und 11 in der gleichen Weise wie im obenbeschriebenen Schritt 2 gesteuert. Im Schritt 4 werden die Abläufe der Schritte 2 und 3 abwechselnd und wiederholt durchgeführt. Deshalb wird, wie im Ab schnitt 5 gezeigt, ein gestanztes Teil 17a gebildet und vom Werkstück mittels Scherung getrennt. Die Schnittfläche des gestanzten Teiles 17a besitzt die Scherflächen A und B, die gebildet wurden, als die Stanz stempel von oben und dann von unten in das Werkstück gedrückt wur den, und eine Bruchfläche zwischen den Scherflächen A und B, die aufgrund niedriger zyklischer Materialermüdung entstanden ist. Ähn lich wie im herkömmlichen hin- und hergehenden Stanzverfahren wird das gestanzte Stück 17a zurück in das Werkstück 17 gedrückt. Danach werden die Stanzwerkzeuge voneinander entfernt, um das Werkstück 17 freizugeben. Dieses wird daraufhin in die nächste Stanzposition ge bracht.In the following step 3 , ie a back punching step, in contrast to step 2 described above, a positive voltage is applied to the piezoelectric actuator 11 , so that the lower punch 8 is moved upwards, while the workpiece 17 is between the upper and lower Punching tools 5 and 6 is held. The part of the workpiece that was deformed by the shearing in step 2 is pressed upwards into the upper punch. In step 3 , the application of the voltages for the piezoelectric actuators 10 and 11 is controlled in the same way as in step 2 described above. In step 4 , the processes in steps 2 and 3 are carried out alternately and repeatedly. Therefore, as shown in section from 5 , a stamped part 17 a is formed and separated from the workpiece by shear. The cut surface of the stamped part 17 a has the shear surfaces A and B, which were formed when the punch was pressed from above and then from below into the workpiece, and a fracture surface between the shear surfaces A and B, due to low cyclical material fatigue arose. Similar to the conventional reciprocating stamping process, the stamped piece 17 a is pressed back into the workpiece 17 . The punching tools are then removed from one another in order to release the workpiece 17 . This is then brought into the next punching position.

In den Fig. 9 und 10 sind Mikrophotographien der Schnittfläche einer Folie aus rostfreiem Stahl, die gemäß dem obenbeschriebenen Verfah ren gestanzt wurde, gezeigt. Bei der Durchführung des Stanzens betrug der Abstand ungefähr 40% (5 µm) der Dicke der Metallfolie. Der Hub der Stanzstempel beim Vorgang des Halbstanzens und beim Vorgang des Zurückstanzens betrug 30% der Dicke der Metallfolie. Der Vor gang des Halbstanzens und der Vorgang des Zurückstanzens wurde zehnmal durchgeführt. Die Mikrophotographie in Fig. 9 entspricht ei ner Seitenansicht der Folie aus rostfreiem Stahl. In der Photographie entspricht der weiße Bereich der Kontur der gestanzten Folie aus rost freiem Stahl. Genauer stellen die rechte und die linke weiße Linie die Oberflächen der Folie dar, während die untere weiße Linie die Schnitt fläche darstellt. Die Mikrophotographie in Fig. 10 entspricht einer Vorderansicht der in Fig. 9 gezeigten Schnittfläche. Genauer erstreckt sich die Schnittfläche horizontal im mittleren Bereich der Photographie. Diese Photographien zeigen deutlich, daß an der Schnittfläche keine Grate gebildet wurden und sowohl die obere als auch die untere Kante der Schnittfläche glatt ist. Die weißen Bereiche über und unter der Schnittfläche auf der Photographie in Fig. 10 entstanden durch Licht hofbildung bei der Aufnahme und stehen somit nicht im Zusammen hang mit der Schnittfläche.In FIGS. 9 and 10 are photomicrographs of the cross-sectional surface of a stainless steel foil that has been stamped ren according to the above described procedural shown. When the punching was carried out, the distance was approximately 40% (5 µm) of the thickness of the metal foil. The stroke of the punch in the process of half-punching and in the process of punching back was 30% of the thickness of the metal foil. The half-punching process and the punching-back process were carried out ten times. The microphotograph in Fig. 9 corresponds to a side view of the stainless steel sheet. In the photograph, the white area corresponds to the contour of the stamped stainless steel foil. More precisely, the right and left white lines represent the surfaces of the film, while the lower white line represents the cut surface. The microphotograph in FIG. 10 corresponds to a front view of the sectional area shown in FIG. 9. More precisely, the cut surface extends horizontally in the middle area of the photograph. These photographs clearly show that no burrs were formed on the cut surface and that both the top and bottom edges of the cut surface are smooth. The white areas above and below the cut surface on the photograph in FIG. 10 are caused by the formation of halos when the image is taken and are therefore not related to the cut surface.

Nun werden die in dem Verfahren der Erfindung verwendeten Stanz werkzeugsätze beschrieben.Now the punch used in the method of the invention tool sets described.

In den Fig. 2(a) bis 2(d) ist ein Verfahren zum Stanzen eines Werk stückes 17 mit herkömmlichen Stanzwerkzeugsätzen mit einem relativ großen Zwischenraum von 50% bis 100% der Dicke des Werkstückes gezeigt. In Fig. 2(a) ist ein Anfangszustand gezeigt, in dem das Werk stück 17 zwischen den Stanzwerkzeugen eingeklemmt ist; in Fig. 2(b) ist ein Zustand gezeigt, in dem das Werkstück mittig gestanzt wird, und in Fig. 2(c) ist ein Zustand gezeigt, in dem das Werkstück von der gegenüberliegenden Seite gestanzt wird. Der Vorgang des Halbstanzens und der Vorgang des Zurückstanzens werden abwechselnd und wieder holt ausgeführt, woraufhin das Werkstück 17, wie in Fig. 2(d) gezeigt, schließlich abgetrennt wird. Wenn der Zwischenraum des Stanzwerk zeuges, wie oben beschrieben worden ist, im Verhältnis zur Dicke ei nes Werkstückes groß ist, entstehen auf beiden Seiten des Zwischen raumes Bereiche plastischer Verformung P innerhalb des Werkstückes, so daß sich schließlich in den Bereichen plastischer Verformung auf derjenigen Seite des Werkstückes, die nicht geschert wurde (und die zwischen den Stanzwerkzeugen 5 und 6 eingeklemmt ist), tiefe Risse Q bilden und dort verbleiben; d. h. daß die Scherung des Werkstückes un befriedigend ist. Die Bildung solch tiefer Risse Q sind der Tatsache zu zuschreiben, daß sich während des Stanzens in dem zwischen den Stanzwerkzeugen gehaltenen Bereich des Werkstückes extrem hohe Spannungen konzentrieren.In Figs. 2 (a) to 2 (d) a method for punching a workpiece 17 using conventional die sets having a relatively large gap from 50% to 100% of the thickness of the workpiece is shown. In Fig. 2 (a) is shown an initial state in which the workpiece 17 is clamped between the punching tools; FIG. 2 (b) shows a state in which the workpiece is punched in the center, and FIG. 2 (c) shows a state in which the workpiece is punched from the opposite side. The half punching operation and the back punching operation are carried out alternately and repeatedly, whereupon the workpiece 17 is finally separated as shown in FIG. 2 (d). If the space between the punching tool, as described above, is large in relation to the thickness of a workpiece, areas of plastic deformation P arise on both sides of the space between the workpiece, so that there are finally areas of plastic deformation on that side of the workpiece which has not been sheared (and which is clamped between the punching tools 5 and 6 ) form deep cracks Q and remain there; that is, the shear of the workpiece is unsatisfactory. The formation of such deep cracks Q can be attributed to the fact that extremely high stresses are concentrated in the region of the workpiece held between the punching tools during punching.

Diese Schwierigkeit wird durch die Erfindung wie folgt gelöst:This problem is solved by the invention as follows:

Wie in Fig. 3(a) gezeigt, werden die Kanten der oberen und der unte ren zum Einklemmen des Werkstückes 17 geeigneten Stanzwerkzeuge 5 und 6 vorab abgefast (oder abgerundet oder abgeschnitten), um die Spannungskonzentration an den Kanten während des Stanzens zu redu zieren. Wie in Fig. 3(b) gezeigt, sind die tiefen Risse Q, wie sie in Fig. 2(d) gezeigt sind, in dem Bereich plastischer Verformung, der sich auf derjenigen Seite des Werkstückteiles befindet, die nicht geschert wurde, kaum vorhanden, obwohl kleine Kerben entstanden sind. Das selbe Ergebnis kann erzielt werden, wenn anstelle der Stanzwerkzeuge 5 und 6 die Stanzstempel 7 und 8 abgefast werden.As shown in Fig. 3 (a), the edges of the upper and unte ren for clamping the workpiece 17 suitable punches 5 and 6 are chamfered in advance (or rounded or cut off) to the stress concentration at the edges during punching grace to redu . As shown in Fig. 3 (b), the deep cracks Q as shown in Fig. 2 (d) are hardly present in the plastic deformation area which is on the side of the workpiece part which has not been sheared , although small notches have appeared. The same result can be achieved if, instead of the punching tools 5 and 6, the punching dies 7 and 8 are chamfered.

In Fig. 4 ist das Verhältnis zwischen dem Hub jedes Stanzstempels und der Vibrationsfrequenz des Stanzstempels (oder der Anzahl der Wie derholungen des Vorganges des Halbstanzens und des Vorganges des Zurückstanzens) gezeigt. Daraus ist klar ersichtlich, daß bei großem Hub das Werkstück mit niedriger Bewegungsfrequenz des Stanzstem pels geschert werden kann. Wenn allerdings der Hub des Stanzstempels klein ist, muß die Vibrationsfrequenz des Stanzstempels erhöht werden. Ein geeigneter Hub des Stanzstempels hängt von der Beschaffenheit des Werkstückes ab; d. h., daß bei weichen Materialien ein größerer Hub als bei härteren Materialien gewählt werden sollte.In Fig. 4, the relationship between the stroke of each punch and the vibration frequency of the punch (or the number of repetitions of the process of half-punching and the process of punching back) is shown. From this it is clearly evident that the workpiece can be sheared with a low stroke frequency with a high stroke of the punch stamp. However, if the stroke of the punch is small, the vibration frequency of the punch must be increased. A suitable stroke of the punch depends on the nature of the workpiece; This means that a larger stroke should be selected for soft materials than for harder materials.

Wie oben beschrieben, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Stanzen einer Metallfolie piezoelektrische Betätiger als Energie quelle für den Stanzstempelantrieb eingesetzt. Diese piezoelektrischen Betätiger können die Stellungen in der Größenordnung von Mikrome tern steuern und die Stanzstempel so in Schwingung versetzen, daß das Verfahren des Halbstanzens und das Verfahren des Zurückstanzens wiederholt durchgeführt werden, wobei die Stanzstempel stumpf gegen beide Seiten des zwischen den Stanzwerkzeugen eingeklemmten Werk stückes stoßen. Deswegen kann die dünne Metallfolie mit einer Dicke von einigen zehn Mikrometern (µm) ohne Ausbildung von Graten ge schert werden, während es bei dem herkömmlichen hin- und hergehen den Stanzverfahren schwierig ist, ohne diese Ausbildung von Graten zu stanzen. As described above, in the method according to the invention for punching a metal foil piezoelectric actuator as energy source used for the punch drive. This piezoelectric Actuators can have positions in the order of micrometre steer and set the punch in vibration so that the Half-punching method and back-punching method be carried out repeatedly, the punches being blunt against both sides of the work clamped between the punching tools bump. Therefore, the thin metal foil with a thickness of a few tens of micrometers (µm) without burr formation be sheared while the conventional one goes back and forth the punching process is difficult without this burr formation punch.

Außerdem kann, gemäß dem Verfahren der Erfindung, das Stanzen ei nes Werkstückes selbst dann ohne Ausbildung von Graten erreicht werden, wenn der Stanzwerkzeugzwischenraum größer als 10% der Dicke des Werkstückes ist. Das Verfahren ist wirksamer, wenn die Kanten der Stanzwerkzeuge oder der Stanzstempel abgefast sind. Das bedeutet, daß selbst bei großen Stanzwerkzeugzwischenräumen von 50% bis 100% der Dicke des Werkstückes die Spannungskonzentration im Werkstück reduziert wird, so daß die Bildung von Rissen und Gra ten aufgrund einer Doppelscherung wirksam verhindert wird.In addition, according to the method of the invention, stamping can be performed workpiece can then be reached without the formation of burrs if the die space is greater than 10% of the Thickness of the workpiece is. The procedure is more effective if the Edges of the punching tools or the punch are chamfered. The means that even with large spaces between dies 50% to 100% of the thickness of the workpiece the stress concentration is reduced in the workpiece, so that the formation of cracks and gra is effectively prevented due to double shear.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß Veränderungen und Abwandlungen in der Form und im Detail vor genommen werden können, ohne den Bereich und den Geist der Erfin dung zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, in den angefügten An sprüchen alle diese Veränderungen und Abwandlungen abzudecken.Although the invention pertains to preferred embodiments of the invention, it will be apparent to those skilled in the art that changes and modifications in the form and in detail before can be taken without the scope and spirit of the inventor leave. It is therefore intended to: say to cover all these changes and modifications.

Claims

1. A method for punching a metal foil ( 17 ) on a press, which stamp a pair of punching tools ( 5 , 6 ), a pair of punch ( 7 , 8 ) and a pair of piezoelectric actuators ( 10 , 11 ) for driving the punch ( 7 , 8 ), all of which are each arranged above or below the metal foil ( 17 ), the method comprising the step of clamping the metal foil ( 17 ) between the punching tools ( 5 , 6 ), characterized by the step of Moving the pair of punches ( 7 , 8 ) in verti cal vibrations by means of the corresponding piezoelectric actuator ( 10 , 11 ), such that an alternating process of half-punching and a process of punching back is carried out to the metal foil ( 17 ) punch, the punch ( 7 , 8 ) being held so that they butt against both sides of the metal foil ( 17 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the stroke of the punch ( 7 , 8 ) is 10% to 40% of the thickness of the metal foil ( 17 ) in each half-punching operation and each punching-back operation.

3. The method according to claim 1, characterized in that a positive voltage is alternately applied to the pair of piezoelectric actuators ( 10 , 11 ) in connection with the process of half-punching or in connection with the process of punching back in order to the pair of punch stamps ( 7 , 8 ) to vibrate in the vertical direction.

4. The method according to claim 3, characterized in that after a positive voltage has been applied to one of the piezoelectric actuators ( 10 , 11 ), a negative voltage is applied to the other piezoelectric actuator's ( 11 , 10 ) with a delay .

5. The method according to claim 1, characterized in that the edges of the punching tools ( 5 , 6 ) are chamfered.

6. The method according to claim 1, characterized in that the edges of the punch ( 7 , 8 ) are chamfered.