Feinschneiden mit Hartmetallstempeln

Beim Feinschneiden von hochfestem Stahl gelangen Schneidstempel aus pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstählen (PM-HSS) an die Grenze der Druckfestigkeit. Die hohe Schneidkantenbelastung führt zu gesteigertem Verschleiß, der häufige Werkzeuginstandsetzungen erfordert. Ein Werkstoff mit einer hohen Druckfestigkeit für das verschleißarme Feinschneiden von hochfestem Stahl ist Hartmetall. In bisherigen Anwendungen von Hartmetallstempeln treten jedoch Stempelbrüche in der Abstreifphase auf. Die Ursache liegt darin, dass der sprödharte Werkstoff Hartmetall beim Abstreifen des Stanzgitters nach dem Schneidvorgang eine Zug- und Biegebelastung erfährt, die zu großflächigem Chipping oder dem Abreißen der Stirnfläche führt. Die Wechselwirkungen zwischen der elastischen Rückfederung der Schnittfläche, den Schnittflächenmerkmalen, der Steifigkeit des Stanzgitters und der mechanischen Belastung des Schneidstempels sind hierbei noch größtenteils unerforscht. Die Wechselwirkungen zwischen dem Stanzgitter und dem Schneidstempel in der Abstreifphase wurden untersucht, um verständnisbasierte Maßnahmen für die Reduktion oder Kompensation des mechanischen Belastungskollektivs des Schneidstempels abzuleiten.
In einem ersten Schritt wurde die Entstehung von Schnittflächenmerkmalen in der Schneidphase erforscht. Der Spannungszustand wurde dazu experimentell variiert und mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert. Anschließend wurden Wechselwirkungen zwischen Schnittflächenmerkmalen und der mechanischen Belastung des Schneidstempels in der Abstreifphase numerisch mit der FEM untersucht. Es wurde gezeigt, dass Kanteneinzug und eine Stempelneigung durch einen Verkantungseffekt hohe Spannungen im Schneidstempel hervorrufen. Darauf aufbauend wurden die Wechselwirkungen in der Abstreifphase unter den Randbedingungen des verschachtelten Feinschneidens mit mehreren Kavitäten experimentell und numerisch untersucht. Anhand eines Stempelbruchs wurde der Belastungsfall rekonstruiert, der zu einer Überlastung geführt hat. In einem vierten Schritt wurde ein modifiziertes Feinschneidwerkzeug konstruiert und in einem Validierungsversuch von 10.000 Feinschneidhüben mit hochfestem Stahl angewendet. An einem Hartmetallstempel wurde nahezu kein Verschleiß beobachtet. Ein PM-HSS-Stempel als Referenz wies hingegen deutliche Verschleißmerkmale auf. Durch die Einsparung von Zeiten für die Werkzeuginstandsetzung ist es dadurch möglich, die Herstellkosten um über 50 % zu senken.