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Stanzkraft in der Metallverarbeitung: Ein umfassender Leitfaden

Zuletzt aktualisiert:
Mai 8, 2024
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Inhaltsverzeichnis

I. Berechnung der Stanzkraft

Die Größe der Stanzkraft P hängt von der Gesamtlänge des inneren und äußeren Umfangs der Stanzung, der Dicke des Materials und der Zugfestigkeit ab und steht im Zusammenhang mit dem Streckgrenzenverhältnis des Materials, das nach der folgenden Formel berechnet werden kann

P = fLtRm

  • Der f-Faktor, der vom Streckgrenzenverhältnis des Materials abhängt, kann aus Abbildung 2-2-35 entnommen werden, im Allgemeinen beträgt f 0,6~0,7;
  • L-Gesamtlänge des inneren und äußeren Umfangs der Stanzung (mm);
  • t - Dicke des Materials (mm);
  • Rm-Zugfestigkeit des Materials (MPa).

Die obige Berechnungsmethode wurde von Timmerbeil vorgeschlagen. f=1-t'/t, wobei t' die Tiefe ist, in der der Stempel in das Material drückt, wenn die maximale Stanzkraft auftritt (d. h. die Stanzkraft P in der obigen Formel), und sie steht in Beziehung zum Streckgrenzenverhältnis des Materials.

Die nach der obigen Formel berechnete Durchstanzkraft entspricht durchaus der Realität und wurde in die deutschen Normen aufgenommen. Zu den mechanischen Eigenschaften der Rohstoffe gehört auch die Zugfestigkeit des Materials R m und geringere Streckgrenze R eL und ihr Verhältnis wird verwendet, um f aus Abbildung 2-2-35 zu erhalten und so die Stanzkraft zu berechnen, was für die Verwendung sehr praktisch ist.

Abbildung 2-2-35 Beziehung zwischen f und dem Streckgrenzenverhältnis des Materials
Abbildung 2-2-35 Beziehung zwischen f und dem Streckgrenzenverhältnis des Materials

II. Entladekraft, Druckkraft und Ausstoßkraft

Nach Abschluss des Stanzvorgangs verformt sich das gestanzte Werkstück (oder der Schrott) radial elastisch und dehnt sich aus, während sich das Loch im Schrott (oder im Werkstück) radial elastisch zusammenzieht. Gleichzeitig versuchen sowohl das Werkstück als auch der Schrott, ihre elastische Krümmung wiederherzustellen. Das Ergebnis dieser beiden elastischen Rückstellvorgänge führt dazu, dass das Werkstück (oder der Schrott) im Hohlraum der Matrize stecken bleibt und der Schrott (oder das Werkstück) den Stempel fest umklammert.

Die Kraft, die zum Entladen des Werkstücks (oder Schrotts) aus dem Stempel verwendet wird, wird als Entladekraft bezeichnet. Die Kraft, mit der das Werkstück (oder der Schrott) in Stanzrichtung aus dem Matrizenhohlraum herausgeschoben wird, wird als Schubkraft bezeichnet. Die Kraft, die verwendet wird, um das Werkstück (oder den Schrott) aus dem Eingang des Gesenkhohlraums in der entgegengesetzten Richtung des Stanzens auszuwerfen, wird als Ausstoßkraft bezeichnet (siehe Abbildung 2-2-36). Diese Kräfte müssen bei der Auswahl der Pressentonnage und der Konstruktion der Form berücksichtigt werden.

Abbildung 2-2-36 Wirkungsrichtung von Entlastungskraft, Druckkraft und Ausstoßkraft
Abbildung 2-2-36 Wirkungsrichtung von Entlastungskraft, Druckkraft und Ausstoßkraft

Viele Faktoren wirken sich auf diese Kräfte aus, vor allem: die mechanischen Eigenschaften und die Dicke des Materials, die Form und Größe des Werkstücks, der Abstand zwischen den Formen, die Größe der Überlappung des Layouts, die Schmierbedingungen usw. Aufgrund des komplexen Einflusses dieser Faktoren ist es schwierig, eine genaue Berechnung durchzuführen. In der Produktion werden in der Regel die folgenden empirischen Formeln zur Berechnung verwendet

P=KxP

Pt =nKtP

Pd=KdP

  • Px, Pt, Pd- Entladekraft, Druckkraft und Auswurfkraft (N);
  • Kx, Kt, Kd- Die Werte der Koeffizienten für die Entlastungskraft, die Druckkraft und die Ausstoßkraft sind in Tabelle 2-2-9 zu finden;
  • P - Stanzkraft (N);
  • n - Anzahl der Werkstücke, die gleichzeitig im Formhohlraum stecken, n = h/t;
  • h - Höhe der geraden Wandöffnung des Formhohlraums (mm);
  • t - Dicke des Materials (mm).

Tabelle 2-2-9 Werte der Koeffizienten K , K t , K d

Material und Dicke / mmKxKtKd
Stahl≤0.10.065~0.0750.10.14
>0.1~0.50.045~0.0550.0650.08
>0.5~2.50.04~0.050.0550.06
>2.5~6.50.03~0.040.0450.05
>6.50.02~0.030.0250.03
Aluminium, Aluminiumlegierung0.025~0.080.03~0.07
Reines Kupfer, Messing0.02~0.060.03~0.09

Anmerkung: K sollte beim Stanzen mehrerer Löcher, großer Flansche und komplexer Konturen den oberen Grenzwert annehmen.

Ob diese Kräfte bei der Wahl der Pressentonnage in der Gesamtstempelkraft berücksichtigt werden, hängt von den verschiedenen Formenbautypen ab (siehe Abbildung 2-2-37).

1) Die gesamte Stanzkraft bei Verwendung einer starren Abstreifplatte (siehe Abbildung 2-2-37a) beträgt

Pz=P+Pt

2) Die Gesamtstempelkraft bei Verwendung eines starren Auswerfers, eines elastischen Abstreifers und einer umgekehrten Form (siehe Abbildung 2-2-37b) beträgt

z = P + P x

3) Die gesamte Stanzkraft bei Verwendung einer elastischen Entlastungsplatte (siehe Abbildung 2-2-37c) beträgt

z = P + P t + P x

4) Die gesamte Stanzkraft unter Verwendung elastischer Oberteile und elastischer Entlastung (siehe Abbildung 2-2-37d) beträgt

z = P + P d + P x

Abbildung 2-2-37 Verschiedene Formen der Formstruktur
Abbildung 2-2-37 Verschiedene Formen der Formstruktur

III. Spannkraft

Spannkraft P y ist die obligatorische Zwangskraft auf das Blech, eine wirksame Methode zur Verbesserung der Qualität des Werkstückquerschnitts und zur Verringerung der Wölbung. Die Spannkraft auf der Matrizenoberfläche wird durch eine elastische, bewegliche Spannplatte erzeugt. Die Klemmkraft an der Stempelendfläche wird durch eine bewegliche Gegendruckplatte erzeugt. Die Größe der Klemmkraft lässt sich näherungsweise mit der folgenden Formel berechnen:

y = (0,10 bis 0,20)P

  • Py- Spannkraft (N);
  • P - Stanzkraft (N).

Der Wert des Koeffizienten hängt von den Materialeigenschaften ab, wobei höhere Werte für harte Materialien oder Materialien mit einem hohen Kaltverfestigungskoeffizienten und niedrigere Werte für weiche Materialien gelten.

Vergleich von P x , P d und P y , P y am größten ist. Wenn also bei der Konstruktion von Formen eine Klemmung erforderlich ist, genügt es, die elastische Klemmvorrichtung gemäß P y die nicht nur eine Klemmung erreichen, sondern auch eine zuverlässige, ausreichende Entladekraft und Oberteilkraft bereitstellen können. Wenn keine Klemmung erforderlich ist, sollten die entsprechende Entladevorrichtung und die Vorrichtung für das Oberteil gemäß P x und P d beziehungsweise.

IV. Seitliche Kraft

Seitliche Kraft P c Wenn die Stanzlinie nicht geschlossen ist (z. B. beim einseitigen Stanzen oder beim Stanzen mit Seitenmessern), kann sich die konvexe Form unter der Seitenkraft unerwünscht verformen und sogar brechen. In solchen Fällen ist es notwendig, die hintere Stütze so zu gestalten, dass sie eine seitliche Reaktionskraft in ähnlicher Größe und in entgegengesetzter Richtung zu P c um das grundlegende Gleichgewicht der Seitenkräfte an der konvexen Form aufrechtzuerhalten. Im Allgemeinen ist die Seitenkraft P c kann näherungsweise nach folgender Formel berechnet werden

c = (0,30 bis 0,38)P

  • Pc- Seitliche Kraft (N);
  • P - Stanzkraft (N).

V. Methoden zur Reduzierung der Stanzkraft

Wenn beim Stanzen von hochfesten Materialien oder dicken, großformatigen Werkstücken die erforderliche Stanzkraft die Tonnage der in der Werkstatt vorhandenen Pressen übersteigt, müssen Maßnahmen zur Reduzierung der Stanzkraft ergriffen werden. Im Allgemeinen werden die folgenden Methoden angewandt:

1. Beheiztes Stanzen

Die Scherfestigkeit des Materials nimmt beim Erhitzen deutlich ab, wodurch die Stanzkraft effektiv reduziert wird. Der Nachteil dieser Methode ist, dass das Material nach der Erhitzung eine Oxidhaut bildet und die Arbeitsbedingungen aufgrund der Erhitzung schlecht sind. Daher eignet es sich im Allgemeinen nur für dicke Bleche oder Werkstücke, bei denen keine hohen Anforderungen an Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit gestellt werden.

In Tabelle 2-2-10 ist die Scherfestigkeit von Stahl bei Erwärmung aufgeführt. Bei der Berechnung der erwärmten Stanzkraft, τ b sollte auf der Grundlage der tatsächlichen Prägetemperatur ermittelt werden. Aufgrund der Wärmeableitung liegt die Stanztemperatur in der Regel 150-200 °C unter der Heiztemperatur. Außerdem sollten die Auswirkungen der Wärmeausdehnung und -kontraktion auf die Abmessungen des Werkstücks sowie die Erweichung des Materials während des Warmstanzens berücksichtigt werden, und der Formspalt sollte entsprechend kleiner sein als beim Kaltstanzen.

Tabelle 2-2-10 Scherfestigkeit von Stahl bei Erwärmung

Qualität des Materialsτ bei der folgenden Temperatur b / MPa
200°C500°C600°C700°C800°C900℃
Q195, Q215, 10, 153603202001106030
Q235, Q255, 20, 254504502401309060
Q275, 30, 355305203301609070
Q295, 40, 45, 506005803801909070

2. Stufenweise Anordnung von Stempeln

Beim Stanzen mit mehreren Stempeln werden die Stempel auf unterschiedlichen Höhen in einer Stufenanordnung angebracht, so dass die Stempel das Material zu unterschiedlichen Zeitpunkten berühren und das gleichzeitige Auftreten der maximalen Stanzkraft an jedem Stempel vermieden wird, wodurch die Stanzkraft reduziert wird.

Die Berechnung der Stanzkraft für stufenförmig angeordnete Stempel sollte durch die Summe der maximalen Stanzkräfte von Stempeln auf gleicher Höhe bestimmt werden.

Die folgenden Grundsätze sollten bei der Verwendung von Stufenstempeln beachtet werden:

1) Der Unterschied in der Stempelhöhe h hängt mit der Zugfestigkeit des Materials zusammen (siehe Tabelle 2-2-11).

Tabelle 2-2-11 Zusammenhang zwischen Stempelhöhenunterschied h und Materialzugfestigkeit

Material-Zugfestigkeit R m /MPah/mm
<2000.8t
200~5000.6t
>5000.4t

Anmerkung: t ist die Materialstärke.

2) Bei der Verteilung der einzelnen Stufenstempel sollte auf Symmetrie und Nähe zum Druckzentrum geachtet werden.

3) Der erste Stempel, der mit der Arbeit beginnt, sollte derjenige mit einem Führungsstift am Ende sein (siehe Abbildung 2-2-38), oder machen Sie den größeren Stempel länger und den kleineren Stempel kürzer, was verhindern kann, dass der kleinere Stempel aufgrund des Drucks des Materialflusses bricht oder kippt. Außerdem wird durch die Verkürzung des kleineren Stempels seine Steifigkeit verbessert, eine Längsinstabilität verhindert und seine Lebensdauer erhöht.

Bild 2-2-38 Schrittweise Anordnung von Stempeln
Bild 2-2-38 Schrittweise Anordnung von Stempeln

3. Stanzen mit schrägem Rand

Beim Stanzen mit einer Flachkantmatrize erfolgt das Scheren gleichzeitig über den gesamten Umfang des Werkstücks, so dass die Stanzkraft beim Stanzen großer und dicker Werkstücke oft sehr groß ist.

Beim Stanzen mit einem Schrägkantenwerkzeug, das dem Schrägschneiden ähnelt, berührt nicht die gesamte Kante gleichzeitig den Werkstückumfang, sondern stanzt das Material nach und nach, wodurch die Stanzkraft erheblich reduziert und die Vibrationen und Geräusche beim Stanzen verringert werden.

Wenn eine schräge Kante zum Stanzen verwendet wird, sollte der Stempel eine flache Kante haben und die Schräge sollte sich auf der Matrize befinden, so dass das gestanzte Werkstück flach ist und der Abfall gebogen wird (siehe Abbildungen 2-2-39a, b, c). Beim Stanzen von Löchern sollte die Matrize eine flache Kante haben, und die Fase sollte sich am Stempel befinden, so dass die gestanzten Löcher flach sind und der Ausschuss gebogen wird (siehe Abbildungen 2-2-39d, e, f). Bei der Gestaltung der Fase sollte diese symmetrisch angeordnet sein, um zu vermeiden, dass die Matrize (oder der Stempel) während des Stanzens einen einseitigen seitlichen Druck erfährt, der eine falsche Ausrichtung verursacht und die Kante beschädigt.

Bild 2-2-39 Verschiedene Formen der Fase
Bild 2-2-39 Verschiedene Formen der Fase

Der Grad der Kraftreduzierung beim Kegelstoßen hängt vom Kegelwinkel φ ab (siehe Tabelle 2-2-12).

Tabelle 2-2-12 Fasenparameter

Material Dicke/mmHöhe des Schrägblattes H/mmKegelwinkel φ/(°)K
<32t<50.3~0.4
3 ~10t<80.6~0.65

Die Stanzkraft eines jeden Kegelmessers wird nach folgender Formel berechnet

Ps=KP

  • Ps- Stanzkraft des Kegelmessers (N);
  • K - Reduktionskoeffizient (siehe Tabelle 2-2-12);
  • P - Stanzkraft des Flachmessers (N).

Bei großen Stanzwerkzeugen sollte bei der Herstellung einer schrägen Matrize die Schräge in einer symmetrisch angeordneten Wellenform hergestellt werden (siehe Abbildung 2-2-40).

Bild 2-2-40 Schrägblatt-Stanzwerkzeug für rechteckige Teile

Obwohl die schräge Matrize die Stanzkraft reduziert, erhöht sie die Schwierigkeit der Formherstellung und des Schleifens, und die Messerkante ist auch verschleißanfällig, so dass sie im Allgemeinen nur für große Werkstücke und das Stanzen dicker Platten verwendet wird.

VI. Durchschlagskraft

1. Stanzleistung mit flachem Messer

Die Stanzkraft einer Flachmatrize kann nach folgender Formel berechnet werden

W =(xPt)/1000

  • W - Stanzkraft des Flachmessers (J);
  • P - Stanzkraft (N);
  • t - Dicke des Materials (mm);
  • x - Das Verhältnis der durchschnittlichen Stanzkraft zur maximalen Stanzkraft, x=PP/P wird durch die Art und Dicke des Materials bestimmt, siehe Tabelle 2-2-13 für den Wert.

Tabelle 2-2-13 Werte des Koeffizienten x

MaterialienMaterialstärke / mm
<11~22~4>4
Baustahl (τ b =250~350MPa)0.70~0.650.65~0.600.60~0.500.45~0.35
Stahl mittlerer Härte (τ b =350~500MPa)0.60~0.550.55~0.500.50~0.420.40~0.30
Harter Stahl (τ b =500~700MPa)0.45~0.400.40~0.350.35~0.300.30~0.15
Aluminium, Kupfer (geglüht)0.75~0.700.70~0.650.65~0.550.50~0.40

2. Schräge Klinge - Schlagkraft

Die Stanzkraft der Schrägblattmatrize kann nach folgender Formel berechnet werden

= x 1 P s (t+ H)/1000

Wo

  • Ws- Durchschlagskraft der schrägen Klinge (J):
  • Ps- Stanzkraft der schrägen Klinge (N);
  • H - Höhe der schrägen Klinge (mm);
  • t - Dicke des Materials (mm);
  • x1- Koeffizient, für weichen Stahl kann er wie folgt angenähert werden: wenn H=t, x1≈0,5~0,6; bei H=2t, x1≈0.7~0.8.
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