Verfahren zum Stanzen und Richten von Blechen und ein Werkzeug dafür

Abstract

 Ein Verfahren zum Stanzen und Richten von Blechen auf einer Stanzmaschine enthält die Schritte, dass eine Matrize (17) in eine erste Werkzeugaufnahme (7) einer Stanzmaschine (1) aufgenommen wird, ein Werkzeugoberteil (16) mit einem Stempel (19) in eine zweite Werkzeugaufnahme (30) aufgenommen wird, und ein Blech (15) zwischen dem Stempel (19) und der Matrize (17) an einer zu bearbeitenden Stelle positioniert wird. Der Stempel (19) weist an einem einem aufgenommenen Ende des Werkzeugoberteils (16) gegenüberliegenden Ende eine Stirnfläche (21) auf, wobei sich angrenzend an die Stirnfläche (21) entlang eines Rands (28) der Fläche (21) eine Fase (22) mit einem Fasenwinkel α und einer Fasenhöhe H anschließt. Ein Stanzvorgang wird dann mit dem Stempel (19) ausgeführt, wobei bei einem Schneiden gleichzeitig radiale Kräfte in das Blech (15) eingebracht werden, so dass eine Blechebenheit auch bei hohen Zerstanzungsgraden beibehalten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stanzen und Richten von Blechen, insbesondere ein Stanzen von Blechen auf einer Stanzmaschine mit einem speziell dafür geeigneten Stempel, so dass die Blechebenheit beibehalten wird.

[0002] Beim Stanzen von Blechen auf Stanzmaschinen werden Öffnungen aus dem Blech gestanzt. Dazu wird das Blech mittels eines Stempels in eine Öffnung einer Matrize gedrückt. Die Kontur des Stempels entspricht der Öffnung der Matrize. Um einen Schneidspalt zu bilden ist die Öffnung der Matrize umlaufend um wenige Zehntelmillimeter größer als die Abmessungen des Stempels. Dadurch wird das Blech in der Anfangsphase des Stanzvorgangs in die Matrize gedrückt, wobei es sich verformt und an der oberen Oberfläche des Blechs eine Zugspannung entsteht. Im weiteren Verlauf des Stanzvorgangs wird, über den Querschnitt betrachtet, der obere Bereich einer Ausstanzung durch Scherkräfte zwischen dem Stempel und der Matrize geschnitten bzw. abgeschert, und der untere Bereich bricht dann schließlich auf Grund des verringerten tragenden Querschnitts aus. Die anfänglich durch die Verformung eingebrachte Zugspannung bleibt im Blech erhalten, so dass sich die gesamte Blechtafel oder einzelne Blechabschnitte, abhängig von der Größe und der Anzahl der eingebrachten Stanzungen, verformen. Durch die Zugspannung werden die äußeren Bereiche der Blechtafel oder der einzelnen Blechabschnitte, mit Ausnahme der Bereiche, an denen das Blech fest eingespannt ist, nach oben gebogen. Dies führt zu Ungenauigkeiten bei der weiteren Bearbeitung und einem höheren Werkzeugverschleiß.

[0003] Durch speziell ballig geschliffene Matrizen und den Einsatz eines aktiven Abstreifers, der das Blech nach unten gegen die Matrize drückt, kann die Situation verbessert werden, wobei jedoch speziell bei langlochartigen Werkzeugen, wo keine Balligkeit an der Matrize möglich ist, die Möglichkeiten beschränkt sind. Außerdem ist ein balliges Schleifen der Matrize nur auf speziellen Rundschleifmaschinen möglich, was die Herstellung aufwendig und kostenintensiv macht. Die Verwendung der ballig geschliffenen Matrizen ist darüber hinaus nur bis zu einem bestimmten Zerstanzungsgrad möglich.

[0004] Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Bleche nach dem Stanzen auf speziellen Richtmaschinen zu bearbeiten, um eine Ebenheit der Bleche wieder herzustellen. In diesen Richtmaschinen wird das gebogene Blech durch mehrfaches Umformen des Blechs durch eine Anordnung von mehreren Walzen spannungsfrei gemacht. Dabei wird das Blech bei der Bewegung durch die Walzen dazu veranlasst, sich immer wieder in die entgegen gesetzte Richtung zu verbiegen. Durch dieses mehrfache Verbiegen des Blechs werden die Spannungen daraus entfernt und es liegt ein ebenes, spannungsfreies Blech vor. Diese Bearbeitung ist jedoch aufwendig, da eine zusätzliche Maschine und weitere Arbeitsgänge erforderlich sind. Außerdem ist diese Bearbeitung nicht bei Blechen möglich, bei denen bereits auf der Stanzmaschine Umformungen eingebracht wurden.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine Stanzmaschine sowie ein Stanzwerkzeug hierfür zur Verfügung zu stellen, so dass es möglich wird, eine Verformung eines Blechs beim Stanzen zu korrigieren, um eine ebene Form des Blechs beizubehalten. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Stanzwerkzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0006] Ein Aufnehmen einer Matrize und eines zu der Matrize komplementären Stempels, wobei der Stempel eine Stirnfläche und angrenzend an die Stirnfläche entlang des Rands der Stirnfläche umlaufend eine Fase mit einer vorbestimmten Fasenhöhe aufweist, ermöglicht es eine Blechebenheit beizubehalten.

[0007] Durch das Vorsehen der Fase ist der Schneidspalt zwischen dem Stempel und der Matrize beim Auftreffen des Stempels auf dem Blech größer als bei einem konventionellen Stempel, wodurch ein Einzugsradius der zu stanzenden Öffnung größer wird und zusätzlich Spannungen eingebracht werden. Bedingt durch die Fase werden beim Eindringen des Stempels in das Blech Radialkräfte in das Blech eingebracht, die geeignet sind, durch die zusätzlichen Spannungen, insbesondere in Lochblechen mit einem hohen Zerstanzungsgrad, die Spannungen in dem Blech auszugleichen.

[0008] Der Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.

[0009] Insbesondere zeigen

Fig. 1

eine Stanzmaschine die mit einem erfindungsgemäßen Stanzwerkzeug zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2

ein erfindungsgemäßes Stanzwerkzeug;

Fig. 3a

einen Stempel des erfindungsgemäßen Stanzwerkzeugs; und

Fig. 3b

einen vergrößerten Ausschnitt einer Seitenansicht des Stempels in Fig. 3a.

[0010] In Fig. 1 ist eine Stanzmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Stanzwerkzeug dargestellt. Ein wesentlicher Bestandteil der Stanzmaschine 1 ist ein C-Rahmen 2. Der C-Rahmen 2 besteht aus einer torsionssteifen Schweißkonstruktion aus Stahl. Alternativ kann der Rahmen aber auch in einer anderen Form ausgeführt sein.

[0011] Am hinteren Ende des C-Rahmens 2 ist ein Hydraulikaggregat 3 vorgesehen, mit dem ein Stößel 4 über eine Stößelsteuerung 5 hydraulisch angetrieben wird.

[0012] Die Stanzmaschine weist eine Achse 6 auf, welche die Mittelachse einer unteren, ersten Werkzeugaufnahme 7 und des Stößels 4 mit einer oberen, zweiten Werkzeugaufnahme 30 bildet. Die erste Werkzeugaufnahme 7 ist auf der unteren Innenseite des C-Rahmens 2 zum Aufnehmen eines Werkzeugunterteils 17 des Stanzwerkzeugs vorgesehen. Die erste Werkzeugaufnahme 7 ist über einen nicht gezeigten Drehantrieb drehbar und in jeder beliebigen Winkellage feststellbar. Weiterhin weist die erste Werkzeugaufnahme 7 einen Antrieb 8 auf, der die erste Werkzeugaufnahme 7 entlang der Achse 6 nach oben und unten bewegt. Der Antrieb 8 kann so angesteuert werden, dass er innerhalb seines Verfahrwegs an jeder beliebigen Position anhalten kann und dann vor oder zurück fahren kann.

[0013] Der Stößel 4 ist auf der oberen Innenseite des C-Rahmens 2 vorgesehen. Der Stößel 4 mit der zweiten Werkzeugaufnahme 30 nimmt ein Werkzeugoberteil 16 des Stanzwerkzeugs formschlüssig und spielfrei auf. Der Stößel 4 ist ebenfalls drehbar und kann ebenfalls in jeder beliebigen Winkellage festgestellt werden. Dafür ist ein zweiter, nicht gezeigter, Drehantrieb vorhanden. Auch der Stößel 4 kann, angesteuert durch die Stößelsteuerung 5, an jeder beliebigen Position innerhalb seines Hubwegs entlang der Achse 6 angehalten werden, und anschließend nach oben oder nach unten weiter bewegt werden.

[0014] Sämtliche Aktoren, wie z.B. die Drehantriebe, die Stößelsteuerung 5 und der Antrieb 8 der erste Werkzeugaufnahme 7 werden von einer nicht gezeigten Maschinensteuerungsvorrichtung angesteuert, die in einem separaten Schaltschrank (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Weiterhin werden auch sämtliche Antriebe zur Bewegung einer zu bearbeitenden Blechplatte 15 und Aktuatoren für Sonderfunktionen durch die Maschinensteuerungsvorrichtung gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung weist als Ein- und Ausgabemittel eine Tastatur und einen Monitor auf. Die Steuerungsfunktionen werden von Mikrocontrollern ausgeführt. Bearbeitungsprogramme und Betriebsparameter sind in einem Speicherbereich der Steuerungsvorrichtung abgespeichert.

[0015] Auf der unteren Innenseite des C-Rahmens 2 ist ein Maschinentisch 9 angeordnet, der eine Querschiene 10 mit einem Werkzeugmagazin 11 aufweist. An der Querschiene 10 sind Spannpratzen 12 zum Festhalten des Blechs 15 angeordnet. Die Spannpratzen 12 können an geeigneten Stellen auf der Querschiene befestigt werden, und können so versetzt werden, dass das Blech 15 sicher gehalten wird, aber das Blech 15 nicht an einer zu bearbeitenden Stelle gegriffen wird. In dem Werkzeugmagazin 11 sind mehrere, hier drei, Werkzeugaufnahmen 13 für mehrere, hier zwei, Stanzwerkzeuge 14 vorhanden.

[0016] Im Betrieb fährt der Maschinentisch 9 zum Stanzen gemeinsam mit der Querschiene 10, an der die Spannpratzen 12 befestigt sind, mit denen das Blech 15 gehalten wird, in einer Y-Richtung in eine programmierte Position, und die Querschiene 10 fährt in X-Richtung in die programmierte Position, wobei das Blech 15 über den Maschinentisch 9 gleitet. Dann wird von dem Stößel 4 ein Stanzhub durchgeführt. Im Anschluss daran wird nach dem selben Prinzip die nächste Stanzposition angefahren.

[0017] In Fig. 2 ist ein Stanzwerkzeug 14 gezeigt, dass als Werkzeugunterteil eine Matrize 17 und das Werkzeugoberteil 16 aufweist. Das Werkzeugoberteil 16 weist einen Schaft 18 auf, der so geformt ist, dass er formschlüssig und spielfrei in die zweite Werkzeugaufnahme 30 aufgenommen werden kann. An dem dem Schaft 18 gegenüberliegenden Ende des Werkzeugoberteils 16 weist das Werkzeugoberteil 16 einen Stempel 19 auf.

[0018] Die Matrize 17 ist so geformt, dass sie in die untere, erste Werkzeugaufnahme 7 formschlüssig und spielfrei aufgenommen werden kann. Die Matrize 17 weist eine Öffnung 20 auf, die so gestaltet ist, dass eine gewünschte Ausstanzung aus dem Blech 15 ausgestanzt werden kann. Die Öffnung 20 ist komplementär zu dem Stempel 19.

[0019] Das Werkzeugoberteil 16 und die Matrize 17 weisen eine gemeinsame Achse 29 auf.

[0020] Zwischen dem Stempel 19 und der Öffnung 20 ist radial umlaufend ein Spalt von wenigen Zehntel Millimetern vorgesehen, der als Schneidspalt bezeichnet wird.

[0021] In einer alternativen Ausführungsform kann das Werkzeugoberteil 16 in der unteren, ersten Werkzeugaufnahme 7 aufgenommen sein, und die Matrize 17 in der oberen, zweiten Werkzeugaufnahme 30 aufgenommen sein.

[0022] Fig. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht des Werkzeugoberteils 16, und Fig. 3b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Stempels 19 aus der Blickrichtung A gesehen. An einem dem Schaft 18 gegenüberliegenden Ende weist das Werkzeugoberteil 16 eine Stirnfläche 21 auf. Angrenzend an die Stirnfläche 21 ist entlang eines Rands 28 der Fläche umlaufend eine Fase 22 vorgesehen. Anschließend an die Fase 22 weist der Stempel 19 eine Seitenfläche 23 auf. Zwischen der Seitenfläche 23 und der Fase 22 wird ein Fasenwinkel α gebildet. Der Abstand zwischen der Stirnfläche 21 und einer Kante 24, die den Übergang zwischen der Fase 22 und der Seitenfläche 23 bildet, definiert eine Fasenhöhe H. Anschließend an den Stempel 19 in Richtung zu dem Schaft 18 ist ein Bund vorgesehen, wobei zwischen dem Stempel 19 und dem Bund 26 ein Übergang 25 gebildet ist, der einen Radius aufweist. Der Bund 26 weist einen Einstich 27 auf. Die Gestaltung des Bunds 26 ist so gewählt, dass das Werkzeugoberteil 16, je nach Ausführungsform, in die erste Werkzeugaufnahme 7 oder die zweite Werkzeugaufnahme 30 aufgenommen werden kann.

[0023] Auf Grund der Fase 22 ist von der Achse 29 ausgehend in der gleichen Richtung der radiale Abstand zwischen der Achse 29 und dem Rand 28 kleiner als der radiale Abstand zwischen der Achse 29 und der Seitenfläche 23. Der Abstand zwischen der Achse 29 und der Seitenfläche 23 ist umlaufend so gewählt, dass sich ein geeigneter erster Schneidspalt zwischen der Seitenfläche 23 und der Öffnung 20 der Matrize 17 (Fig. 2) ergibt. Auf Grund der Fase 22 ergibt sich an dem Ende des Stempels 19, verglichen mit dem ersten Schneidspalt, ein sich im Verlauf der Fase vergrößernder zweiter Schneidspalt zwischen der Fase 22 und der Öffnung 20.

[0024] Im Betrieb wird die Matrize 17 in die erste Werkzeugaufnahme 7 aufgenommen. Das Werkzeugoberteil 16 wird in die zweite Werkzeugaufnahme 30 aufgenommen. Alternativ ist auch abhängig vom Anwendungsfall die Möglichkeit gegeben, dass die Matrize in die zweite Werkzeugaufnahme 30 und das Werkzeugoberteil 16 in die erste Werkzeugaufnahme 7 aufgenommen wird. Anschließend wird durch eine entsprechende Vorrichtung der Stanzmaschine 1 das Blech 15 zwischen den Stempel 19 und die Matrize 17 eingebracht. Das Blech 15 wird so positioniert, dass eine gewünschte Öffnung an einer vorgesehenen Stelle in das Blech 15 eingebracht werden kann. Anschließend fährt das Werkzeugoberteil 16 nach unten, und die gewünschte Öffnung in dem Blech 15 wird hergestellt.

[0025] Wie oben beschrieben, entstehen durch die eingebrachten Spannungen Verformungen des Blechs 15.

[0026] Durch den gegenüber dem ersten Schneidspalt vergrößerten zweiten Schneidspalt zwischen dem Stempel 19 und der Matrize 17 wird bei einem Eindrücken des Blechs 15 durch die Stirnfläche 21 ein Einzugsradius des Blechs entlang der auszustanzenden Öffnung größer. Während des Eindringens des Stempels 19 in das Blech 15 wird das Blech 15 durch den Rand 28 geschnitten und dann getrennt und bedingt durch die Fase 22 mit dem Fasenwinkel α werden gleichzeitig Radialkräfte in das Blech 15 eingebracht. Durch die Radialkräfte entstehen Druckspannungen in der Umgebung der auszustanzenden Öffnung. Dadurch wird eine bessere Spannungsverteilung im Blech erzeugt. Durch das Ausgleichen der Spannungen im Blech werden nahezu ebene Bleche mit gestanzten Öffnungen hergestellt. Während des Stanzens wird also quasi ein Richtverfahren durchgeführt.

[0027] Die Größe der eingebrachten Radialkräfte kann durch eine Anpassung des Stempels 19 verändert werden. Je größer der Fasenwinkel α ist, desto mehr Radialkräfte werden eingebracht. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Fasenwinkel α 30°. Gute Ergebnisse hinsichtlich der Blechebenheit werden auch bei dem Fasenwinkel α in einem Bereich von 15° bis 45° erzielt. Günstiger ist alternativ ein Stanzwerkzeug 14, bei dem der Fasenwinkel α zwischen 25° und 35° beträgt.

[0028] Ein weiterer Parameter, der in das Bearbeitungsergebnis einfließt ist die Fasenhöhe H. Die Fasenhöhe H ergibt sich aus dem Fasenwinkel α und dem Abstand zwischen der Achse 29 und dem Rand 28. Der Fasenwinkel α ist umlaufend konstant. Die Fasenhöhe wird festgelegt, wobei die Festlegung der Fasenhöhe H in Abhängigkeit von verschiedenen Bearbeitungsparametern erfolgt. Die Parameter sind die Zugfestigkeit des Blechs 15, die Blechdicke und die Form der Stirnfläche 21 bzw. die Kontur des Rands 28, also die Form der Ausstanzung. Die Fasenhöhe H wird tendenziell bei steigender Blechdicke größer festgelegt. In der Regel ist es bei einer erhöhten Zugfestigkeit des Werkstoffs des Blechs 15 erforderlich, dass eine größere Fasenhöhe H gewählt wird. Bezüglich der Form der Stirnfläche 21 wird die Fasenhöhe H hinsichtlich einer guten Ebenheit des Blechs ermittelt.

[0029] In einer alternativen Ausführungsform wird zusätzlich zu der Verwendung des Stempels 19 mit der Fase 22 die erste Werkzeugaufnahme 7, in der die Matrize 17 aufgenommen ist, nach oben gefahren, wodurch das Blech 15 durch die Matrize 17 nach oben gebogen wird, und dadurch plastisch verformt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das Blech gegen einen Abstreifer gedrückt, der sowohl steife äußere als auch elastische innere Bereiche aufweist. In dem elastischen Bereich des Abstreifers wird das Blech 15 dann nach oben gebogen und plastisch verformt.

[0030] Ein Zerstanzungsgrad gibt ein Verhältnis zwischen der Fläche von ausgestanzten Öffnungen und der Fläche des verbleibenden Materials des Blechs 15 in einem bestimmten Bereich an. Je mehr Öffnungen ausgestanzt sind, oder je größer die Öffnungen sind, umso größer ist in einem bestimmten Bereich des Blechs der Zerstanzungsgrad.

[0031] Je größer der Zerstanzungsgrad ist, umso weiter muss die Matrize 17 ausgefahren werden, d.h. die Länge des Wegs, um den die Matrize ausgefahren wird, wird größer, um eine Ebenheit des Blechs 15 zu verbessern.

[0032] Auch die Form der Stirnfläche 21 hat einen Einfluss auf den Weg, um den die Matrize 17 ausgefahren werden muss. Der Weg wird in Abhängigkeit der Form der Stirnfläche 21 ermittelt.

[0033] Durch diese Maßnahmen kann die Blechebenheit auch bei Zerstanzungsgraden von ca. 40% bis 50% beibehalten werden, was mit herkömmlichen Stanzverfahren alleine nicht möglich ist.

Ansprüche

1. Verfahren zum Stanzen und Richten von Blechen (15) auf einer Stanzmaschine (1), wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:

- Aufnehmen einer Matrize (17) in eine erste Werkzeugaufnahme (7) der Stanzmaschine (1);

- Aufnehmen eines Werkzeugoberteils (16) mit einem zu der Matrize (17) komplementären Stempel (19) in eine zweite Werkzeugaufnahme (30) der Stanzmaschine (1), wobei der Stempel (19) an einem einem aufgenommenen Ende des Werkzeugoberteils (16) gegenüberliegenden Ende eine Stirnfläche (21) mit einem Rand (28) aufweist, und angrenzend an die Stirnfläche (21) entlang des Rands (28) umlaufend eine Fase (22) mit einer vorbestimmten Fasenhöhe (H), die festgelegt ist, die Blechebenheit beizubehalten, vorhanden ist;

- Einbringen eines zu stanzenden Blechs (15) zwischen den Stempel (19) und die Matrize (17);

- Durchführen des Stanzvorgangs,

- wobei in einer ersten Phase des Stanzvorgangs die Stirnfläche (21) eine Oberfläche des Blechs (15) eindrückt, so dass ein Einzugsradius entsteht, und

- in einer zweiten Phase des Stanzvorgangs der Rand (28) der Stirnfläche (21) das Blech (15) schneidet und gleichzeitig die Fase (22) radiale Kräfte in das Blech (15) einbringt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt enthält:

- Ausfahren der ersten Werkzeugaufnahme (7), so dass das Blech (15) durch die Matrize (17) nach oben gebogen und dadurch plastisch verformt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die erste Werkzeugaufnahme (7) um einen vorbestimmten Weg ausgefahren wird, und eine Länge des Wegs abhängig von einem Zerstanzungsgrad festgelegt wird, und die Länge des Wegs umso größer ist, je höher der Zerstanzungsgrad ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Länge des Wegs in Abhängigkeit von der Form der Stirnfläche (21) des Stempels (19) ermittelt wird.

5. Stanzwerkzeug (14) mit einer Matrize (17) und einem Werkzeugoberteil (16) mit einem Stempel (19), wobei die Matrize (17) eine Öffnung (20) aufweist, in die der Stempel (19) eintauchen kann, und das Werkzeugoberteil (16) ein Ende mit einem Schaft (18) aufweist, an dem das Werkzeugoberteil (16) aufgenommen wird, und der Stempel (19), dem aufgenommenen Ende des Werkzeugoberteils (16) gegenüberliegend, eine Stirnfläche (21) mit einem Rand (28) und umlaufend eine Fase (22) mit einer Fasenhöhe (H) und einem Fasenwinkel (α) in einem Bereich von 15° bis 45° aufweist.

6. Stanzwerkzeug (14) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasenwinkel (α) in einem Bereich von 25° bis 35° liegt.

7. Stanzwerkzeug (14) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasenwinkel (α) 30° beträgt.

8. Stanzwerkzeug (14) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Fasenhöhe (H) in Abhängigkeit von einer Blechdicke festgelegt ist, und die Fasenhöhe (H) umso größer ist, je größer die Blechdicke ist.

9. Stanzwerkzeug (14) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Fasenhöhe (H) in Abhängigkeit von einer Zugfestigkeit des Blechs (15) festgelegt ist, und die Fasenhöhe (H) umso größer ist, je höher die Zugfestigkeit des Blechs (15) ist.

10. Stanzwerkzeug (14) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Fasenhöhe (H) in Abhängigkeit von einer Form der Stirnfläche (21) des Stempels (19) ermittelt ist.

Zeichnung