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Neu Schneid- und Trenntechnologien ermöglichen Bauteile mit neuen Eigenschaften für neue Anwendungsfelder. Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS), dessen industrielles Anwendungsspektrum sich derzeit vorwiegend auf das Trennen von Stangenmaterial beschränkt, soll in Zukunft auch für den Bereich der Blechbearbeitung nutzbar gemacht werden. In dem jetzt abgeschlossenen zweijährigen Forschungsvorhaben am wurden am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz, und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, für dieses Verfahren richtungsweisende Untersuchungen durchgeführt.
Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens waren die bekannten Vorteile des HGSS gegenüber konventionellen Schneidprozessen. Die Anwendung von hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Schneidergebnisses:
- hohe Maßhaltigkeit und geringe Bauteildeformation,
- gratarme, ebene Trennfläche mit überwiegendem Bruchzonenanteil (mit besonders feinkörniger Oberfläche),
- Verschmälerung der Verformungszone, gleichmäßigere Härteverteilung,
- Werkstoffeinsparung durch geringe Stegbreiten, schmiermittelfreier Schneidprozess sowie
- Einsparung von Nacharbeitsschritten.
Die Zielstellung des Forschungsvorhabens bestand darin, basierend auf einer wissenschaftliche Analyse des Verfahrens, die Einsatzfelder des HGSS auf das Schneiden und Lochen von Rohren und flächigen Bauteilen unterschiedlicher Festigkeit und Blechdicke zu erweitern.
Nach Konzeptionierung, Konstruktion, Herstellung, Erprobung und Optimierung geeigneter Versuchseinrichtungen erfolgten diesbezüglich umfangreiche experimentelle Untersuchungen, bei denen der Werkstück-Werkstoff, die Blechdicke, der Schneidspalt, die Schneidgeschwindigkeit und die Stempelkontur variiert wurden. Anschließend wurden die erzielten Schnittergebnisse in Abhängigkeit der Einfluss nehmenden Schneidparameter analysiert, d. h., die Trennflächenqualität an den erzeugten Schnittteilen untersucht. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse auszugsweise wiedergegeben. Wie beim NGSS ist auch beim HGSS die Werkzeugauslegung (Schneidspalt und Schneidkantengeometrie) entscheidend für das Schneidergebnis. Für eine hohe Schnittflächenqualität haben sich kleine bezogene Schneidspalte bis u/s = 2...3 % sowie ein vollkantiger Schnitt als optimal erwiesen. Bei den Stempelausführungen Schräg- und hohlschliff traten sowohl Deformationen an den Schnittteilen als auch deutliche Abweichungen von der Rechtwinkligkeit auf. Während das NGSS meist auf einen hohen Glattschnittanteil abzielt, ist beim HGSS das Gegenteil der Fall. Die HGSS-Trennflächen bestehen überwiegend aus Bruchfläche, die eine wesentlich feinkörnigere Oberfläche aufweist als konventionell erzeugte Bruchflächen. Der nichtrostende Stahl X5CrNi18-10 zeigte beispielsweise eine besonders feinkörnige Bruchfläche, was sich in einer überwiegend geringeren Rauheit der Bruchfläche im Vergleich zur Glattschnittfläche äußerte. Anhand der Kanteneinzugshöhen zeigte sich deutlich die Einflussnahme von Werkstück-Werkstoff und bezogenem Schneidspalt, innerhalb der jeweiligen Blechwerkstoffvariante verhielt sich dieser Trennflächenanteil insgesamt bei gleichem Schneidspalt annähernd konstant. Die mittels HGSS erzeugten Trennflächen wiesen nur geringen bzw. keinen Schnittgrat auf. Zum Teil konnte tendenziell eine Reduzierung des Schnittgrats mit Verringerung des bezogenen Schneidspaltes festgestellt werden. Die Stahlsorte X5CrNi18-10 (1.4301) zeichnete sich auch durch nahezu rechtwinklige Trennflächen aus, die maximal ein Grad von der Idealkontur abwichen. Art und Umfang der schneidprozessbedingten Verfestigung des schnittnahen Randbereichs, insbesondere die Breite dieser beeinflussten Randzone, lässt sich anhand der Mikrohärtekartographie mit höherer Genauigkeit bestimmen als anhand der Gefügeaufnahmen. Dabei wurden in Abhängigkeit vom Versuchswerkstoff vergleichbare Randverfestigungstiefen an den Flachproben und an den Rohrabschnitten ermittelt. Bei den Versuchen zum HGSS von Rohren mit Innendorn traten die maximalen Form- und Lageabweichungen in Schnittrichtung auf. Abschließend erfolgte ein qualitativer Vergleich des NGSS und HGSS hinsichtlich der erzielbaren Schnittqualität.
Der ausführliche Forschungsbericht zu diesem Vorhaben P 774/ IGF-Nr. 15319 BG kann bei der Verlag und Vertriebsgesellschaft per Fax (+49 (0)211 67 07 129) bestellt werden und umfasst 112 Seiten sowie 98 Abbildungen/Tabellen (ISBN 3-937567-84-4 Schutzgebühr: € 25,50 inkl. MwSt. zzgl. Versandkosten). Autoren des Forschungsberichtes sind Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Patricia Weigel, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e. h. Dr.-Ing. e. h. Dr. h. c. mult. Engelbert Westkämper, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl und Dipl.-Ing. (FH) Frank Eicher.
Das IGF-Vorhaben 15319 BG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. - FOSTA, Sohnstr. 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Mitglieder der FOSTA sind führende Stahlhersteller, Stahl verarbeitende Unternehmen und Forschungsinstitute. Zu den Mitgliedern gehören Arcelor Mittal Bremen GmbH, Arcelor Mittal Eisenhüttenstadt GmbH, ArcelorMittal Steel Germany GmbH, Deutsche Edelstahlwerke GmbH, Edelstahl Vereinigung, Georgsmarienhütte GmbH, Salzgitter AG Stahl und Technologie, Saarstahl AG, Stahlwerk Thüringen GmbH, ThyssenKrupp Nirosta GmbH, ThyssenKrupp Steel AG, V & M DEUTSCHLAND GmbH, voestalpine Stahl GmbH, Benteler AG, Daimler AG, Volkswagen AG u.a.
Umschlag des Abschlussberichtes
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Schnittfläche eines Probekörpers
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
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