A102

Untersuchungen zur Standzeitverbesserung von Pressstempeln für Innenkraftangriffsflächen der Formen Kreuzschlitz und Kombikreuzschlitz von Befestigungsmitteln


(A102 S 24/14/95)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1995 – 30. September 1997

1. Zielsetzung

Aus Rationalisierungsgründen hat sich der Einsatz von Schrauben mit kombinierter Kreuz/Schlitzgeometrie durchgesetzt. Die dafür erforderlichen Preßstempel weisen unbefriedigende und stark schwankende Standzeiten auf. Erschwerend kommt hinzu, daß diese Preßstempel ausschließlich aus England und Amerika mit Lieferzeiten von bis zu vier Monaten  bezogen werden können. Im Rahmen des o.g. Verbundprojektes sollten die bisher stark schwankenden Standzeiten der sogenannten ±-Preßstempel stabilisiert und gleichzeitig erhöht werden. Weiteres Projektziel war die Herstellung der Stempel in Deutschland zu ermöglichen.


2. Ergebnisse

Bei der Ist-Aufnahme wurden neue ±-Preßstempel aller Projektpartner untersucht. Alle
±-Preßstempel wiesen mechanische Beschädigungen (flache Kerben und scharfkantige Narben) in der Oberfläche der Prägekontur auf. Ebenfalls konnten kleine Mikrorisse im Grundmaterial an den Schlitzstegoberflächen nachgewiesen werden. Diese Anrisse sind darauf zurückzuführen, daß bei der Herstellung der Preßstempel durch das Kalteinsenken das Grenzumformvermögen erreicht wird. Ein Einfluß der Kerben und Narben auf die spätere Standzeit der ±-Preßstempel konnte nicht festgestellt werden. Die Mikroanrisse im Material-grund hingegen fördern den frühzeitigen Preßstempelbruch.

Bei der Untersuchung der Ausfallursache der ±-Preßstempel zeigte sich, daß der überwiegende Teil der eingesetzten ±-Preßstempel nicht durch abrasiven Verschleiß, sondern durch Ermüdungsbruch ausfällt. Bedingt durch die wechselnde Zug/Druckbeanspruchung und nachgewiesene Seitenkräfte auf die ±-Preßstempel werden Ermüdungsrisse in der beanspruchten Zone initiiert, die dann kontinuierlich in das Stiftinnere einlaufen, bis eine vollkommene Werkstofftrennung erfolgt ist.

Bei der Umformung von stark kaltverfestigenden austenitischen Materialien (z.B. 1.4301) tritt der Ermüdungsriß wesentlich früher ein und läuft auch wesentlich schneller weiter. Die Standzeiten bei gleichem Umformgrad sind um bis zu 90% geringer.

Im weiteren Projektverlauf wurden Versuche zur Prozeßstabilisierung / Standzeiterhöhung und Herstellung der ±-Preßstempel durch alternative Fertigungsverfahren verfolgt. Hierbei wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Da alle eingesenkten ±-Preßstempel Vorschädigungen und hierbei insbesondere Anrisse im Neuzustand aufwiesen, wurden für Versuchszwecke ±-Preßstempel beim Projektpartner HASCO-Normalien hochgeschwindigkeitsgefräst. Die gefrästen Preßstempel waren von der Maßhaltigkeit besser als die gesenkten ±-Preßstempel, Anrisse und Kerben waren in der Oberfläche nicht zu erkennen. Die Kennwerte zur Oberflächenrauhigkeit (Ra, Rm) waren jedoch wesentlich schlechter als bei gesenkten Preßstempeln.

Mit dem Hochgeschwindigkeitsfräsen konnte ein alternatives Fertigungsverfahren für die Herstellung von produktionsfähigen ±-Preßstempeln aufgezeigt werden. Die Standzeiten der gefrästen Preßstempel aus konventionellem Grundwerkstoff (1.3343) lagen durchschnittlich um ca. 60.000 Hub über den Standzeiten gesenkter ±-Preßstempel der Hersteller aus England und Amerika. Aufgrund des ca. 3fachen Herstellpreises gegenüber dem Fertigungsverfahren Einsenken ist dieses Verfahren für diesen Anwendungszweck jedoch noch nicht wirtschaftlich.

Mit dem Einsatz von verschiedenen schmelz- und pulvermetallurgischen Werkstoffvarianten, insbesondere über T15 MIM, konnte die Standzeit bei der Herstellung der Projektschraube der Fa. Betzer exemplarisch von durchschnittlich 157.000 auf 265.000 Hub gesteigert werden. Zu berücksichtigen ist jedoch, daß hohe Standardabweichungen der Standzeiten in den Versuchen noch eine statistische Absicherung der erzielten Standzeitergebnisse erforderlich machen.

Der Werkstoff T15 MIM wird im Metallspritzgußverfahren hergestellt. Aus Kostengründen wurden im Projekt ±-Preßstempel aus zylindrischen T15 MIM Werkstoffproben durch Hochgeschwindigkeitsfräsen hergestellt. Ein direktes Spritzgießen der ±-Preßstempel wäre in Hinsicht Standzeiterhöhung und Steigerung der Verfügbarkeit ein geeignetes Fertigungsverfahren. Die Fertigungstoleranz des Verfahrens liegt bei ca. 1% bezogen auf das Nennmaß. Nach dem Spritzgießen / Sinten müßten die ±-Preßstempel evtl. durch einen Kalibrierhub bzw. spanend auf Maß gebracht werden. Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Wirtschaftlichkeit aus.

Im Rahmen der Einsenkversuche konnten ±-Preßstempel hergestellt werden, deren Ist-Kontur näherungsweise der Soll-Kontur entsprechen. Aufgrund der Einschränkungen bei der "Versuchshardware" (kein maßhaltiger Masterstempel zum Prägen der Einsenkmatrize, keine induktive Vorwärmung, keine schnellaufende Einsenkpresse) konnte die für die Schraubenfertigung erforderliche Maßhaltigkeit der ±-Preßstempel nicht eingehalten werden. Auf der Basis der erzielten Einsenkversuche und der Zusage der projektbeteiligten Schraubenhersteller beim Einstieg der Fa. HASCO in die Preßstempelfertigung  unmittelbar Abrufaufträge zu vergeben, führt die Fa. HASCO zur Zeit in Zusammenarbeit mit dem IFU in größerem Maße weitergehende Einsenkversuche durch.

Bei einer statistischen Absicherung der Preßstempelstandzeiten aus dem Alternativwerkstoff T15 MIM entsprechen die im Projekt erzielten Standzeiten im Vergleich zu konventionell eingesetzten Stempelwerkstoffen (Schnellarbeitsstähle 1.3343 und 1.3346) einer Steigerung von bis zu 70%. Über eine Herstellung der ±-Preßstempel durch "Metallspritzguß" in Deutschland könnten die Lieferzeiten auf zwei bis drei Wochen reduziert werden.

Forschungsstelle 1:
Institut für Umformtechnik der mittelständischen Wirtschaft GmbH - IFU
www.ifu-lued.de
 
Forschungsleiter 1:

Prof. Dr.-Ing. W. Schneider
(vorgelegt vom Wirtschaftverband Stahlumformung e.V. - WSU -, Hagen)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF