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Hochgeschwindigkeitsscherschneiden von Stangenmaterial

Status laufend
Ziele

1. Verbesserung der Prozessbeherrschung zur Erweiterung der Prozesseinsatzgrenzen und Steigerung der Energie- und Rohstoffeffizienz vom HGSS-Prozess

Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS) hat das Potential, die Produktivität und die Qualität des Kaltscherens signifikant zu steigern und ebenso den Materialverlust zu verhindern. Durch den Einsatz des HGSS-Verfahrens können zugleich Zwischenschritte wie bspw. der Setzprozess eingespart werden. Der Einsatzbereich des HGSS-Verfahrens ist jedoch zurzeit aufgrund der stark limitierten Kenntnisse bei hoher Werkstofffestigkeit und -duktilität, bei Schmierneigung des Werkstoffs sowie bezüglich des minimal realisierbaren l/d-Verhältnisses, des maximalen Schneidspalts oder der maximal möglichen Schneidgeschwindigkeit noch stark beschränkt. Hinzu kommt, dass aktuell anlagen- und werkzeugtechnische Hürden, d.h. die hohen dynamischen Belastungen und fehlende Konstruktionsrichtlinien zur Werkzeugauslegung, eine breite industrielle Anwendung des Prozesses noch verhindern.

Durch die Kombination der Fachkompetenzen von drei Forschungseinrichtungen soll der HGSS-Prozess hinsichtlich der verwendbaren Materialien und der trennbaren Querschnittsabmessungen verbessert werden, und die spezifischen Nachteile des Verfahrens, die dessen Verbreitung und somit die breitere Aufstellung der KMU mit ihrer hohen Prozesskompetenz aktuell behindern, sollen partiell beseitigt oder zumindest deutlich verringert werden. Hierdurch wird auch ein Beitrag für die nachhaltige wirtschaftliche Sicherung lokaler KMU-Standorte geleistet.


2. Thermomechanische Werkstoffcharakterisierung in HGSS-Prozessen

Von zentraler Bedeutung für die numerische Beschreibung hochdynamischer Trennprozesse ist die thermomechanische Werkstoffcharakterisierung bezüglich des Schädigungs- und Trennverhaltens. Untersucht wurden die bisher noch nicht hinreichend charakterisierten Werkstoffe 16MnCr5
(Wärmebehandlungszustand: walzhart), EN AW 6082 (Wärmebehandlungszustand: O) und C4C
(Wärmebehandlungszustand: GKZ).


3. Modellierung des Werkstoffverhaltens in HGSS-Prozessen

Für Fragestellungen mit Bezug auf Hochgeschwindigkeitstrennprozesse ist das Verständnis der Bruchmechanismen von hoher Relevanz. Für duktile Werkstoffe unter dynamischer Beanspruchung sind auf makromechanischer Ebene insbesondere Lokalisierungsmechanismen durch Instabilitäten zu beobachten, die zu lokalisierter thermischer Entfestigung unter Ausbildung adiabatischer Scherbänder führen können.
Zu berücksichtigen ist hierbei die Abhängigkeit der Versagensgrenze vom Spannungs- und Dehnungszustand im Werkstück. Um einen weiten Bereich von Spannungs- und Dehnungszuständen in den relevanten Geschwindigkeits- und –temperaturbereichen zu erfassen, müssen geeignete Probenformen entwickelt und dimensioniert sowie entsprechende Versuchsanordnungen festgesetzt werden.


4. Experimentelle Analyse des HGSS-Prozesses

Ein wichtiger Bestandteil ist der Vergleich der simulativen Ergebnisse mit dem praktischen Prozess beim Trennen in industrieller Umgebung. An der Versuchsanlage soll das Verhalten der Werkzeugparameter in ihrem Einfluss auf die Schnittqualität untersucht werden. Aus den getrennten Proben soll durch digitale Auswertung ein Ergebniszusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und der Schnittqualität erstellt werden. Die Qualität des Schnitts der Proben werden durch die Scherfehler Bruch- und Glattschnittanteil, Volumenfehler, Standwinkel, S-Schlag, horizontaler und vertikaler Kanteneinzug definiert und durch diese Kriterien analysiert. Außerdem werden die Randbedingungen des Verfahrens untersucht um einen Beitrag zu leisten die grundlegenden Vorgänge beim Hochgeschwindigkeitsscherschneiden zu verstehen. Dabei sind die Geschwindigkeit und die minimale Länge der Proben, die getrennt werden kann, als Randbedingung wichtig um eine industrielle Anwendung sicherzustellen. Besonders wichtig sind auch die Wechselwirkungen der Parameter untereinander in ihrem Einfluss auf das Schnittergebnis. Mit 16MnCr5 und EN-AW6082 werden in der Kaltmassivumformung häufig verwendete Materialien untersucht.


5. Numerische Analyse des HGSS-Prozesses

Die ausführliche numerische und quantitative Analyse des HGSS-Prozesses ist besonders wichtig, da die dadurch zu erstellenden Arbeitsdiagramme das Bindeglied zwischen Prozessparametern und Rohteilqualität darstellen. Die Umsetzung der Charakterisierung der Schnittflächenqualität als Post-Processing-Skript ist dabei notwendig, da diese nur durch ein automatisiertes Verfahren mit ausreichender Effizienz, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ausgewertet werden kann.


6. Bereitstellung prozessspezifischer Arbeitsdiagramme (optimierte Prozessparameter, Analyse Folgeumformprozesse)





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