Beleg Werkzeugkonstruktion

Beleg
Werkzeugkonstruktion
Christian Schettler
032104/13
(leicht modifiziert)
Nicht korrigiert - Gleichungen nicht "blind" übernehmen!
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Inhaltsverzeichnis
Seite
Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................2
Bilderverzeichnis .................................................................................................................4
Bilderverzeichnis .................................................................................................................4
Tabellenverzeichnis.............................................................................................................4
Verzeichnis der Formelzeichen ...........................................................................................5
Quellenverzeichnis ..............................................................................................................8
1 Aufgabenstellung ....................................................................................................9
2 Zuschnittermittlung................................................................................................11
2.1 Ermittlung der gestreckten Länge .........................................................................11
2.2 Platinenabmessungen bzw. Bandabmessungen ..................................................12
3 Festlegung des Ausgangsmaterials......................................................................13
4 Ermittlung der Rand- und Stegbreiten sowie des Seitenschneiderabfalls.............14
5 Wahl des günstigsten Streifenbildes .....................................................................15
5.1 Streifenbildvarianten .............................................................................................15
5.2 Ermittlung des Materialbedarfs und -kosten..........................................................16
5.3 Gesamtbewertung mit weiteren Kriterien ..............................................................17
6 Biegen...................................................................................................................18
6.1 Berechnung der Rückfederung .............................................................................18
6.2 Biegeradius...........................................................................................................19
6.3 Untersuchung ob Lochen vor oder nach Biegen...................................................19
7 Untersuchung von Werkzeugbauarten..................................................................20
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7.1 Getrenntes Schneid- und Biegewerkzeug.............................................................20
7.2 Folgewerkzeug......................................................................................................20
7.3 Gesamtwerkzeug ..................................................................................................21
7.4 Gewählte Werkzeugbauart ...................................................................................21
8 Arbeitsstufenfolgen (Varianten).............................................................................22
9 Entwurf von Werkzeugvarianten ...........................................................................27
10 Berechnung des Kraftbedarfs ...............................................................................35
10.1 Berechnung der Schneidkräfte..............................................................................35
10.2 Berechnung der Abstreif- bzw. Rückzugskraft ......................................................38
10.3 Biegekraftberechnung...........................................................................................39
11 Auswahl der Federn..............................................................................................40
12 Arbeitsbedarf.........................................................................................................44
12.1 Schneidarbeit........................................................................................................44
12.2 Biegearbeit............................................................................................................44
12.3 Federarbeit ...........................................................................................................44
12.4 Gesamtarbeitsbedarf ............................................................................................45
12.5 Zusammenfassung ...............................................................................................45
13 Auswahl der Presse ..............................................................................................46
13.1 Berechnung des erforderlichen Stößelhubes H ....................................................46
13.2 Berechnung des Einbauraums bei HR 40 / 550 NL ..............................................46
13.3 Presskraft..............................................................................................................47
13.4 Abschätzung des möglichen Arbeitsvermögens ...................................................48
13.5 Auswahl der Presse ..............................................................................................48
14 Zusatzangaben auf der Zeichnung .......................................................................49
15 Anlagen.................................................................................................................50
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Bilderverzeichnis
Bild Bildunterschrift Seite
1 Gestreckte Länge 11
2 Platinen- bzw. Bandabmessungen 12
3 Streifenbildvariante 1 15
4 Streifenbildvariante 2 15
5 Streifenbildvariante 3 15
6 Mindestabstand der Biegung zu den Löchern 19
7 Arbeitsstufen 37
8 Belastungsbereich nach /6/ 40
9 Erläuterungen Federwege nach /6/ 40
10 Federdiagramm 42
11 Kraftverlauf 47
Tabellenverzeichnis
Tabelle Tabellenüberschrift
Seite
1 Rand- und Stegbreite, Seitenschneiderabfall 14
2 Materialbedarf, Materialkosten 16
3 Streifenbildbewertung, gesamt 17
4 Schnittlängen und Schnittkräfte 37
5 Arbeitsbedarf 45
6 Kraftbedarf 47
7 Pressenauswahl 48
8 Zusatzangaben für Zeichnung 49
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Verzeichnis der Formelzeichen
Formelzeichen Einheit Bedeutung
α ° Biegewinkel
α w
° Winkel am Werkzeug
a mm Randbreite
a min mm Mindestabstand einer Bohrung zum Biegeradius
B mm Bandbreite; Streifenbreite
c
C-Faktor für den minimalen Biegeradius
C R Abstreiffaktor
D h mm Minimaler Einbauraum für die Feder
F Abstreif,erf N Erforderliche Abstreifkraft
F Abstreif,vorh N Vorhandene (tatsächliche) Abstreifkraft
F ∧ B
N Maximale Biegekraft
F B max N Maximale Kraft für den Biegeprozess
F EN
N Endkraft zum Nachdrücken beim Biegen ohne Gegenhalter
F R(i)
N Rückzugskraft / Abstreifkraft (der i-ten Bearbeitungsstufe)
F R,ges N Gesamte Rückzugskraft / Abstreifkraft
F ∧ S(i) N Maximale Schneidkraft (der i-ten Bearbeitungsstufe)
F ∧ S,ges N Gesamte maximale Schneidkraft
F n N Nennfederkraft (maximal zulässige Federkraft)
F 6 N Federkraft bei 62 % Federvorspannung
e mm Stegbreite
f
Korrekturfaktor für Stempelanschliff
H mm Stößelhub mit Vorschubschritt
H gew mm Gewählter Stößelhub mit Vorschubschritt
H max mm Maximaler Stößelhub der Presse
h Einbauraum mm Einbauraumhöhe der Presse
h B mm Biegeweg
h vU mm Mindeststößelhub ohne Vorschubschritt
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Formelzeichen Einheit Bedeutung
1
'
h z
mm Abstand Umgriff - Schneidplatte
h z
mm Höhe der Führungsleiste
i mm Seitenschneiderabfall
i F St. Anzahl der Federn im Werkzeug
K mm K-Faktor (Rückfederungsfaktor für die Biegung)
L mm Streifenlänge
L 0 mm Unbelastete Federlänge
l 0
mm Gestreckte Länge
l , ,
l2
3
l mm Schekellängen des gebogenen Teil
l a
mm Randlänge
l B
mm Länge aller Biegekanten
l e
mm Steglänge
l S(i) mm Schnittlinienlängen (der i-ten Bearbeitungsstufe)
l Ü mm Überstand des Suchstiftes über die Streifendruckplatte
m a kg/a Materialmasse pro Jahr
m S Korrekturfaktor für Schneidarbeit
m B Korrekturfaktor für Biegearbeit
N a St./a Jahrestückzahl an Werkstücken
p mm Parallelanteil des Schneiplattendurchbruches
P € Materialkosten für die gesamte Laufzeit
p a
€/a Materialkosten pro Jahr
p m €/kg Spezifischer Materialpreis
r i
mm Biegewinkel
r i,min mm Minimaler Biegeradius
r iW mm Radius am Biegeeinsatz
R N/mm Federkonstante (Federsteife)
R m N/mm² Zugfestigkeit
ρ kg/m³ Materialdichte
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Formelzeichen Einheit Bedeutung
s 0
mm Blechdicke
S Abstreif Abstreifsicherheit
s A6 mm Zulässiger Federhub (mit Belastung bis 62 % von s n )
s A6,erf mm erforderlicher Federhub (mit Belastung bis 62 % von s n )
s n mm Maximaler Federweg (Nennfederweg)
s 6 mm Federweg bei 62% Federvorspannung
s v6 mm Erforderliche Federvorspannung für Dauerfestigkeit und
Belastung bis 62% des Nennfederweges
s v6,gew mm Gewählte Federvorspannung im Werkzeug
s Vor mm Vorschubschritt
t E mm Stempeleintauchtiefe in die Matrize
t EF mm Eintauchtiefe der Stempelunterkante in die Streifendruckplatte
t f
a Fertigungsdauer
t S mm Sicherheitsabstand
W B Nm Biegearbeit pro DH
W F Nm Federarbeit pro DH
W S Nm Schneidarbeit pro DH
W ges Nm Gesamter Arbeitsbedarf pro DH
x
Korrekturfaktor für die Biegung
x F Korrekturfaktor für die Schneidkraft
Z
Streifen/a Jahres-Streifenstückzahl
z st
St. Werkstücke pro Streifen
z v
St. Teile je Vorschubschritt
z wz St. Werkstücke, die im Werkzeug halb bearbeitet verbleiben
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Quellenverzeichnis
/1/ Klepzig, W.: Schneid- und Umformwerkzeuge für die Blechbearbeitung
(Stanzwerkzeuge), Bilder und Tafeln. Zwickau: 2002
/2/ VDI 3367 (zurückgezogen)
Rand und Stegbreiten
/3/ Oehler, G.; Kaiser, F.: Schnitt-, Stanz- und Ziehwerkzeuge. Berlin, Heidelberg u.a.:
Springer 2001
/4/ Norm DIN 6935 Teil 1 Oktober 1975
Kaltbiegen von Flacherzeugnissen aus Stahl
/5/ Norm DIN 1623 Teil 2 Februar 1986
Kaltgewalztes Band und Blech
/6/ FIBRO GmbH (Hrsg.): FIBRO Normalien 3d Katalog, CD-ROM, Dateiversion 8.0.23,
2004
/7/ RASTER (Hrsg.): Datenblatt
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1 Aufgabenstellung
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2 Zuschnittermittlung
2.1 Ermittlung der gestreckten Länge
Bild 1:
Gestreckte Länge
Ermittelte Maße aus Zeichnung (mittels CATIA):
Längen:
Biegeradius:
Blechdicke:
Biegewinkel:
l 1 = 33,00 mm
r i = 1mm
s 0 = 1mm
o
α = 53,130
l 2 = 3,50 mm l 3 = 12,50 mm
Berechnung des Korrekturfaktors x nach /1, Bild 81/
für 0,5
≥ x ≥ 0,3 gilt:
−α
( 1−1,
)
−α ⎡
12 ⋅r
r ⎤
x ≈ 0,5 ⋅1,02
+ ⎢0,25
+ 0,13 ⋅lg
i
−
i
⎥ ⋅ 02
⎣
s0
300 ⋅ s0
⎦
x ≈ 0,5 ⋅1,02
x ≈ 0,426
−53,13
⎡
12 ⋅1mm
1mm ⎤
+ ⎢0,25
+ 0,13 ⋅lg
−
1mm 300 1mm
⎥ ⋅
⎣
⋅ ⎦
−53,13
( 1−1,02
)
( 1 )
Berechnung der gestreckten Länge l 0 nach /1, Bild 81/
π
l0 = l1
+ l2
+ l3
+ 2 ⋅ ⋅ α ⋅(ri
+ x ⋅ s0
)
( 2 )
180
π
l 0 = 33 mm + 3,5 mm + 12,5 mm + 2 ⋅ ⋅53,13° ⋅(1mm
+ 0,426 ⋅1mm)
180°
l 0 = 51,65 mm
gestreckte Länge:
l 0 = 51,65 mm
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2.2 Platinenabmessungen bzw. Bandabmessungen
Die Platinenabmessungen sind abhängig von der Abwicklung des Teils. Die Bandbreite B
ergibt sich aus der Summe von l e und den entsprechenden Randbreiten sowie
Seitenschneiderabschnitten.
Bild 2:
Platinen- bzw. Bandabmessungen
Werkstück quer zum Streifen (Streifenbildvariante 1 und 3, Bild 3 und Bild 5, S. 15):
B ≥ l e + 2 ⋅i
( 3 )
B ≥ l e + 2 ⋅i
= 51,65 mm + 2 ⋅1,5 mm = 54,65 mm
gewählt: B = 55 mm
Werkstück längs zum Streifen (Streifenbildvariante 2, Bild 4, S. 15):
B ≥ l a + 2 ⋅i
( 4 )
B ≥ l a + 2 ⋅i
= 25 mm + 2 ⋅1,5 mm = 28 mm
gewählt: B = 30 mm
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3 Festlegung des Ausgangsmaterials
Werkstück quer zum Streifen (Streifenbildvariante 1 und 3, Bild 3 und Bild 5, S. 15)
Streifenbreite: B = 55 mm
Streifenlänge: L = 2000 mm (angenommen)
Vorschub: s Vor = 26,3 mm bzw. s Vor = 23,8 mm
Werkstücke pro Streifen:
L − e
zst = − z wz
( 5 )
V
2000 mm −1.6 mm
z st = −10
= 74 −10
= 64 bzw. 73
26,3 mm
Steifenstückzahl:
Na
zst
Z = ( 6 )
St.
300000
Streifen
Z = a = 4688
bzw. 4109 Streifen/a
St.
a
64
Streifen
Werkstück quer zum Streifen (Streifenbildvariante 2, Bild 4, S. 15)
Streifenbreite: B = 35 mm
Streifenlänge: L = 2000 mm (angenommen)
Vorschub: s Vor = 51,3 mm
Werkstücke pro Streifen:
L − e
zst = − z wz
( 7 )
V
2000 mm − 1.6 mm
St.
z st =
− 10 = 38 − 10 = 28
51,3 mm
Streifen
Streifenstückzahl:
Aus ( 6 ) ergibt sich:
St.
300000
Streifen
Z = a = 10715
St.
a
28
Streifen
Nach Empfehlung, wird bei mehr als Z = 200
bevorzugt.
gewählt: Bandverarbeitung
Streifen/Jahr die Bandverarbeitung
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4 Ermittlung der Rand- und Stegbreiten sowie des
Seitenschneiderabfalls
Nach /2, Tafel 1/ gilt:
Bei einer Streifenbreite
B ≤ 100 mm und einer Blechdicke
s 0 = 1,0 mm :
Tabelle 1:
Rand- und Stegbreite, Seitenschneiderabfall
Steg- oder
Randlänge
Ranbreite
Stegbreite
Seitenschneiderabfall
l e , l a in mm a in mm e in mm i in mm
50 … 100
(Variante 1 bis 3)
1,3 1,3 1,5
Daraus ergibt sich eine Bandbreite B für:
• Streifenbildvariante 1 und 3 (Bild 3 und Bild 5, S.15):
• Streifenbildvariante 2 (Bild 4, S. 15):
B = 55 mm
B = 30 mm
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5 Wahl des günstigsten Streifenbildes
5.1 Streifenbildvarianten
Bild 3: Streifenbildvariante 1
Bild 4: Streifenbildvariante 2
Bild 5: Streifenbildvariante 3
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5.2 Ermittlung des Materialbedarfs und -kosten
Die benötigte Materialmasse pro Jahr ergibt sich aus:
m
a
N
= s
a
Vor ⋅B
⋅ s0
⋅ρ ⋅
( 8 )
z
v
Die dafür erforderlichen Materialkosten pro Jahr betragen:
p
a
= m ⋅p
( 9 )
a
m
mit spezifischer Materialpreis
€
p m = 1
kg
Die Materialkosten für der gesamte Laufzeit ergeben sich zu:
P = p a ⋅ t f
( 10 )
Tabelle 2:
Materialbedarf, Materialkosten
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Vorschub s Vor in mm 26,30 52,95 47,60
Streifenbreite B in mm 55,00 30,00 55,00
Blechdicke s 0 in mm 1,00 1,00 1,00
Dichte ρ in kg/m 3 7 850 7 850 7 850
Jahresstückzahl N a in St/a 300 000 300 000 300 000
Teile je Vorschubschritt z v in St 1 1 2
Spez. Materialpreis p m in €/kg 1 1 1
Fertigungsdauer t f in a 3 3 3
Materialmasse pro Jahr m a in kg/a 3 406,51 3 740,92 3 082,69
Materialkosten pro Jahr p a in €/a 3 406,51 3 740,92 3 082,69
Materialkosten für gesamte Laufzeit P in € 10 219,53 11 222,76 9 248,07
Vergleich in % 110 121 100
Mehrkosten für die gesamte Laufzeit in € 971,46 1 975,69 0
Die geringsten Materialkosten hat Variante 3. Aber auch Variante 1 ist vertretbar, weil
auch nur die halbe Anzahl an Aktivelementen erforderlich ist.
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5.3 Gesamtbewertung mit weiteren Kriterien
Nachfolgend ist eine Bewertung einer Auswahl von wichtigen Kriterien zu sehen:
Tabelle 3:
Streifenbildbewertung, gesamt
Bewertungskriterien
günstig mittel ungünstig
3 2 1
Wichtungsfaktoren
Streifenbildvariante
1 2 3
Materialbedarf und -kosten 0,30 2 1 3
Lage der Biegekanten 0,30 3 1 2
Bandvorschub 0,20 3 2 3
Erwartete Kosten für das Werkzeug (z. B.
Aktivelemente, Streifenheber, …)
0,20 3 2 1
Summe 1,00 2,7 1,4 2,3
Die beste Streifenbildvariante nach diesen Bewertungskriterien ist die Variante 1. Aus
diesem Grund wird die Arbeitsstufenfolge nach Variante 1 ausgeführt.
Eigenschaften von Variante 1:
• Relativ geringer Werkstoffbedarf geringe Werkstoffkosten
• Biegekante liegt in Vorschubrichtung Vorschub gut realisierbar
• Kleiner Bandvorschub geringe Werkzeuglänge nur kleine Presse nötig
• Aufgrund guter Lage der Schnittkontur und Biegekante: einfacher Werkzeugaufbau
geringe Werkzeugkosten (keine Streifenheber erforderlich, wenig Aktivelemente, …)
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6 Biegen
6.1 Berechnung der Rückfederung
Mit ermittelten Werten:
Biegewinkel des Bleches: α = 53 , 13°
Biegeradius:
r i = 1mm
Blechdicke:
s 0 = 1mm
Werkstoff:
Berechnung nach /1, Bild 84/
USt37-2 G03g
U: Desoxidationsart: unberuhigt
St37-2: St37 Gütegruppe 2
O3 : üblich kaltgewalzte Oberfläche
g: Oberflächenausführung „glatt“, R a < 0,9 µm
r
Nach /3, S. 687/ gilt für den Werkstoff St37-2 mit
i
= 1 ein K-Faktor von 0,99.
s
Ohne Überbiegen federt das Blech auf
α = K ⋅ α w
( 11 )
α = 0 ,99 ⋅53,13°
= 52, 60°
zurück.
Dies entspricht einer Rückfederung von
Δα = α w − α
( 12 )
Δα = 53,13° − 52,6°
= 0, 53°
je Biegekante.
Die zulässige Abweichung von der Winkelstellung nach /4, Tabelle4/ soll für
Schenkellängen bis 30 mm kleiner als ±2° sein. Da dies der Fall ist, muss das Profil
normalerweise nicht überbogen werden. Weil aber der Biegewinkel kleiner als 90° ist,
macht es auch keine Probleme, das Blech soviel zu überbiegen, dass es (theoretisch)
genau auf 53,13° zurückfedert.
Der am Werkzeug vorhandene Biegewinkel, bei dem das Blech nach Entlastung auf
α = 53, 13°
zurückfedert, berechnet sich wie folgt:
α
α w =
( 13 )
K
53,13°
α w = = 53, 67°
0,99
Also muss das Blech um
Δα = α w − α
( 14 )
Δα = 53,67 − 53,13 = 0, 54°
überbogen werden.
0
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6.2 Biegeradius
Die Berechnung erfolgt ebenfalls nach /1, Bild 84/
Der am Werkzeug erforderliche Radius für einen Blechteilradius r i = 1 mm berechnet sich
zu:
riW
= ri
⋅K
( 15 )
r iW = 1mm ⋅ 0.99 = 0,99 mm
Der minimale Biegeradius nach /1, Bild 82/ für das Band (kaltgewalzt und rekristallisierend
geglüht nach /5/) bei parallel zur Walzrichtung angeordneter Biegekante gilt:
r
≈ c ⋅ s mit c = 0,5 ( 16 )
i,min
0
r i , min ≈ 0,5 ⋅1mm
=
0,5 mm
Weil der Biegewinkel kleiner als 90° ist, ist ein Biegeradius von 1mm noch vertretbar.
Sicherheit vorhanden
6.3 Untersuchung ob Lochen vor oder nach Biegen
Der minimale Abstand der Außenkontur des Loches zum Beginn des Biegeradius ermittelt
sich nach /1, Bild 85/ zu:
a
= 2 ⋅
( 17 )
min s 0
a min = 2 ⋅1mm
= 2 mm
Die tatsächlich vorhandenen Abstände betragen:
• vom Loch zum Radiusbeginn: 3,75 mm
• vom Langloch zum Radiusbeginn: 4,00 mm
Bild 6:
Mindestabstand der Biegung zu den Löchern
Die Abstände sind größer als a min und es sind auch nur Allgemeintoleranzen nach
DIN 6030 -m einzuhalten. Deshalb kann vor dem Biegen gelocht werden.
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7 Untersuchung von Werkzeugbauarten
7.1 Getrenntes Schneid- und Biegewerkzeug
Vorteile:
• Sehr einfacher Aufbau von Schneid- und Biegewerkzeug geringe
Werkzeugherstellkosten, auch als Summe beider Werkzeuge
• Geringe Einbauhöhe der Werkzeuge kleine Pressen nur nötig aber 2 Stück !!!
• Sehr hohe Hubzahlen bei einzelnen Schneidwerkzeug möglich, aber keine
Zeitersparnis durch zusätzlich zweiten Biegearbeitsgang (Nachteil!)
• Gute Werkstoffausnutzung
Nachteile:
• Zusätzliche Speicher- und Handhabeeinrichtungen für den Wechsel oder
• Beim manuellen Einlegen und Entnehmen sind viele Arbeitskräfte nötig
• Nur in Niedriglohnländern produktiv einsetzbar
• Lange Bearbeitungs- und Maschinenbelegzeit hohe Lohn- und Maschinenkosten
7.2 Folgewerkzeug
Vorteile:
• Für komplizierte Teile mit vielen verschiedenen Schneid- und Umformoperationen
(auch kleine Teile mit geringen Konturabständen, die im Gesamtwerkzeug nicht
herstellbar sind).
• Werkstückweitergabe durch Bandvorschub hohe Genauigkeit
• Nur eine Presse nötig.
• Für Teile mit komplizierten Formausschnitten, die in einer Operation schwer oder nicht
herstellbar sind.
• Hohe Produktivität
• Kurze Bearbeitungs- und Maschinenbelegzeit geringe Lohn- und Maschinenkosten
Nachteile:
• Oft Gratbildung auf beiden Werkstückseiten (wenn Ausschneiden in Schneidmatrize)
kompliziertere Nachbehandlung (Entgraten) notwendig
• Durch komplexen Werkzeugaufbau ergibt sich ein hoher Entwicklungs- und
Wartungsaufwand hohe Kosten für Werkzeugentwicklung, -herstellung, -wartung
und -instandhaltung
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• Durch große Länge der Werkzeuge Aufkippung möglich
• Bei einfachem Aufbau (ohne gefederte Führungsplatte) ist Bandwölbung möglich.
• Aufgrund der vielen Stufen sind oft nur kleinere Werkstücke herstellbar, da sonst der
Einbauraum der Presse nicht ausreicht.
7.3 Gesamtwerkzeug
Vorteile:
• Gratbildung nur auf einer Seite einfachere Nachbehandlung
• Sehr genaue Lage der Innen- zur Außenkontur, weil Werkstück in einem Werkzeug in
einer Stufe komplett hergestellt wird.
• Ebenere Platinen, da Kräfte für Ausschneiden und Lochen entgegengerichtet wirken,
Band bzw. Streifen zwischen Ausschneidmatrize und gefederter Streifenauflage
eingespannt ist, ggf. zusätzlich das Blech zwischen Ausschneidstempel und einem
gefederten Auswerfer eingespannt ist.
• Sehr große Werkstücke herstellbar
Nachteile
• Problematisch sind kleine Konturabstände Bruchgefahr an Ausschneidstempel
• Geringere Produktivität als Folgewerkzeuge, da komplizierter Auswerfprozess (z. B.
Ausblasen) notwendig ist geringere Hubzahlen höhere Lohn- und
Maschinenkosten als bei FVW
• Begrenzte Umformoperationen ausführbar, weil alles in einer Stufe hergestellt werden
muss.
7.4 Gewählte Werkzeugbauart
Für dieses Teil, welches aus Schneid- und Umformoperationen hergestellt wird, ist aus
wirtschaftlichen Gesichtspunkten das Folgverbundwerkzeug dem getrennten Schneidund
Biegewerkzeug vorzuziehen.
Die Herstellung in nur einer Stufe in einem Gesamtwerkzeug würde nicht oder nur schwer
zu realisieren sein und eine schlechtere Produktivität ergeben.
Gewählt: Folgeverbundwerkzeug
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8 Arbeitsstufenfolgen (Varianten)
Die Arbeitsstufenfolge wurden für die Streifenbildvariante 1 (Bild 3, S. 11) ausgeführt.
gewählte Arbeitsstufenfolge: Variante 2
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9 Entwurf von Werkzeugvarianten
Variante 1:
• Werkzeug mit Gleitführung mit Führungsbuchsen mit Flansch aus carboniertem
Sintereisen nach DIN 9831 / ISO 9448-4
• Wechselführungssäule mit Bund und Haltestückverschraubung
• Vorgespannte Federeinheit
• Federnde Suchstifte beim Biegen und zur Vorschubschrittkorrektur für den
Seitenschneider
• Vorschubschrittrealisierung durch 2 Seitenschneider und 1 Suchstift
• Federnde Führungsplatte mit angeschraubter Streifendruckplatte kein Aufbiegen
des Streifens beim Schneid- und Biegevorgang
• Stempelaufnahme in Stempelhalteplatte
• 2 Schneidplatten und 1 Biegematrize als modularerer Aufbau
• Streifenführung in Streifenführungsplatte mit Umgriff
• Werkstückabfuhr durch Abschneiden vom Band und somit Herunterrutschen des
Werkstücks in letzter Stufe
• Abfuhr des gesamten Blechabfalls durch das Werkzeug und den Tisch der
Werkzeugmaschine es bleibt kein Streifengitter am Ende der Bearbeitung übrig!!
• Aufnahme des Werkzeugoberteils durch Einspannzapfen nach DIN ISO 10242-1
(kaum für Schneidautomaten!)
• Befestigung des Werkzeugunterteils durch 4 Befestigungsschrauben
• Transportelemente: Werkzeugunterteil: Tragzapfen nach VDI 3366
Werkzeugoberteil: Tragschrauben nach VDI 3366
Variante 2: zusätzlich zu Variante 1
• Werkzeug mit Kugel-Wälzführung (Kugelkäfig mit Sicherungsring und
Führungsbuchse mit Flansch DIN 9831 / ISO 9448-5)
Variante 3: zusätzlich zu Variante 1
• Werkzeug mit Führungssäule zum Anschrauben aufgrund höherer Biegesteifigkeit.
Variante 4: zusätzlich zu Variante 1
• Hinterführung des Biegestempels zur Aufnahme der Biegequerkraft in der
Biegematrize.
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10 Berechnung des Kraftbedarfs
10.1 Berechnung der Schneidkräfte
Die maximale Schneidkraft errechnet sich nach /1, Tafel 2/ zu:
∧
FS
= x
F
⋅ f ⋅R
m
⋅l
S
( 18 )
Zugfestigkeit :
N
R m = (360...510)
mm
2
Korrekturfaktor f nach /1, Bild 58/:
bei geraden Anschliff parallele Schneiden
f = 1
Korrekturfaktor x F nach /1, Bild 57/:
N
für Kohlenstoffstähle und R m = (300...800)
2
mm
171
x F = 0,36 +
( 19 )
0,98
Rm
171
xF = 0,36 +
= 0,8943...0,7398
0,98
(360...510)
Demnach errechnet sich die maximale Schneidkraft wie folgt:
∧
FS
= xF
⋅ f ⋅Rm
⋅lS
∧
FS = (321,95...377,30) ⋅l S
∧
FS = 377,30 ⋅l S
= (0,8943...0,7398) ⋅1⋅(360...510)
⋅l
S
( 20 )
- 35 -

Die einzelnen Schnittlinienlängen betragen: (aus CAD Zeichnung ausgemessen)
Seitenschneider: (2 mal)
l 1
S = 26,3 mm + 1,68 mm = 27,98 mm
Rundloch:
l 2
S = π ⋅5,5 mm = 17,28 mm
Langloch:
l 3
S = π ⋅5,5 mm + 2 ⋅14,5 mm = 46,28 mm
Lochen/Freischneiden:
l 4
S = 6,3 mm + 2 ⋅7,65 mm + 2 ⋅ 4,92 mm = 31,44 mm
Freischneiden:
l 5
S = 2 ⋅10 mm = 20,00 mm
Abschneiden:
l 6
S = 2 ⋅31mm
= 62 mm
- 36 -

Bild 7:
Arbeitsstufen
Zusammenfassung der Ergebnisse und Schnittkraftberechnung:
Tabelle 4:
Schnittlängen und Schnittkräfte
Arbeitsstufe
Schnittlänge
l Si
in mm
Schnittkraft
∧
FSi = 377,30 ⋅l Si
in N
Rückzugskraft
F
∧
Ri ≈ 0,11⋅F Si
in N
1. Seitenschneider (2 mal) 27,98 10.557 1161
2. Rundloch 17,28 6.519 717
3. Langloch 46,28 17.461 1.921
4. Lochen 31,44 11.859 1.305
5. Freischneiden 20,00 7.546 830
7. Abschneiden 62,00 23.393 1287
Σ 232,96 87.896 8382
Die gesamte maximale Schneidkraft, wenn alle Schneidstempel gleichzeitig auf das Blech
auftreffen und einen geraden Anschliff haben, beträgt:
∧
F
S,
ges
≈ 88 kN
- 37 -

10.2 Berechnung der Abstreif- bzw. Rückzugskraft
Die Abstreifkraft berechnet sich nach /1, Tafel2, T2/3/ zu:
F
R
≈ C ⋅F
( 21 )
R
S
Abstreiffaktor C R nach /1 , Bild 59/:
Für nachfolgendes Ausschneiden und Lochen und einer Blechdicke s 0 = 1 mm gilt:
C R = 0,10...0,12 C R =0,11
Rückzugskräfte F R :
Bei den Bearbeitungsvorgängen 1, 2, 3, 4 und 5 werden die Stempel bei Hin- und
Rückhub vollständig vom Blech umschlossen. Hier errechnet sich die Rückzugskraft mit
den vollen Schneidkräften.
Annahme: C R = 0,11 /1 , Bild 59/
∧ ∧ ∧ ∧ ∧
FR,voll
= CR
⋅(FS1+
FS2
+ FS3
+ FS4
+ FS5
)
F R , voll = 0,11⋅(2
⋅10557
+ 6 519 + 17 461+
11859 + 7546) N = 7 095 N
Bei der Bearbeitungsstufe 7 (Abschneiden) wird der Stempel beim Rückhub nicht
vollständig vom Blech umschlossen. Die verursachte Abstreifkraft ist somit auch geringer.
Es muss mit der halben Schneidkraft gerechnet werden.
Annahme: C R = 0,11 /1 , Bild 59/
F
R,halb
∧
FS7
= CR
⋅
2
23 393 N
= 0,11⋅
2
F R , halb
=
1287 N
Somit errechnet sich die Abstreifkraft: siehe Tabelle 4,S. 37
( 7095 + 1287) N 8382 N
FR = FR,voll
+ FR,
halb =
=
F R , ges = 8382 N
- 38 -

10.3 Biegekraftberechnung
Für die Biegekraftberechnung werden die Formeln für das Abbiegen genutzt. Da aber die
Biegewinkel kleiner als 90° sind, ist die reale Kraft für das Biegen etwas geringer, was
aber als Sicherheit anzusehen ist und bei der Berechnung nicht beachtet wird.
Die maximale Biegekraft berechnet sich nach /1, Tafel2, (T2/7)/ zu:
∧
FB
= 0,22 ⋅ s
0
⋅l
B
⋅R
m
( 22 )
mit:
l B = 2 ⋅ 20 mm = 40 mm Länge der beiden Biegekanten
∧
FB =
2
N
= 0,22 ⋅1mm
⋅ 40 mm ⋅510
mm
4 488 N
Die Endkraft zum Nachdrücken berechnet sich nach /1, Tafel2, (T2/8)/ zu:
Wenn ohne Gegenhalter gebogen wird gilt:
∧
FEN = 3 ⋅F B
F EN = 3 ⋅ 4 488 N = 13 464 N
( 23 )
Die maximale Kraft, die zum Biegen aufgebracht werden muss, errechnet sich nach
/1, Tafel2, (T2/12)/ zu:
Da nur Biegen und Nachdrücken, aber kein Radiusprägen
F B max = FEN
F B max = 13 464 N
( 24 )
- 39 -

11 Auswahl der Federn
Die Federn sind dauerfest, wenn sich die Schwingbelastung im Bereich zwischen
( 0,13...0,30) ⋅ sn ≤ s ≤ (0,45..0,62) ⋅ s n befindet. Dies entspricht einem maximal zulässigen
Arbeitshub von s = 0,32 ⋅ s
A,zul
n
Bild 8: Belastungsbereich nach /6/
Bild 9: Erläuterungen Federwege nach /6/
- 40 -

Erforderliche Kraft am Ende der Abstreifoperation: (Annahme: 6 Federn)
F
F
R
Abstr,erf
≥
6
F 8382 N
F
R
Abstr ,erf ≥ = = 1397 N
6 6
Die Eintauchtiefe der Schneidstempel mit Verhinderung des Zurückkommens der
Butzen und für mittlere Stückzahlen berechnet sich zu:
t E = 1mm + p
p = 0,5 mm + s 0 Parallelanteil für Schneidplattendurchbruch nach V3 /1, Bild 71/
p = 0,5 mm + 1mm = 1,5 mm
t E = 1mm + 1,5 mm = 2,5 mm
( 25 )
Die Absteifkraft
FAbstreif,erf
wirken (beinhaltet Sicherheit).
soll noch
tE 0
=
+ s = 2,5 mm + 1mm 3,5 mm nach dem UT
Der erforderliche Arbeitsweg s A,erf der Feder errechnet sich zu:
s = t + t
( 26 )
A,erf
B
EF
s A , erf = 4 mm + 1mm = 5 mm
Auswahl der Feder aus FIBRO Katalog /6/:
Spezial-Schraubendruckfeder
Nummer: 241.16.32.51
Kennfarbe: rot
N
R = 271,7 L 0 = 51mm
mm
F n = 4483,1N s n = 16,5 mm
F 6 = 2771N s 6 = 10,2 mm
D h = 32 mm
L n = 34,5 mm
s v 6 = 5,0 mm s A 6 = 5,2 mm
- 41 -

Federdiagramm für ausgewählte Feder 241.16.32.51
F F [N]
F F, max = 2771
Beginn des Abstreifens, Überwindung Haftreibung
F Ende Schn. = 2092
,vorh=1820
Ende des Abstreifens F Abstr mit Sicherheit
F Niederh = 1685
F v6 = 1413
F Abstreif,erf = 1400
F Abstreif
5,2
OT / Federvorspannung
Beginn Biegen
Ende Abstreifen
Beginn Schneiden /
Ende Schneiden
s A,erf =5
Beginn Abstreifen
Ende Biegen / UT /
t EF,b =1
t EF,s =1,5
s 0 =1
t E,b =4
t E,s =2,5
6,2
6,7
7,7
10,2
f F [mm]
s v6,gew
s v6
s A6 =5,2
s 6
Bild 10: Federdiagramm
- 42 -

Kontrolle:
1. Ausreichende Abstreifkraft
Unter der Annahme, dass die Feder bis zum oberen Dauerfestigkeitsbereich von
s = 0,62 ⋅ genutzt wird, ergibt sich
F
F
6 s n
Abstr,vorh
Abstr,
vorh
=
( s − 3,5 mm) ⋅R
= ( 0,62 ⋅ s − 3,5 mm) ⋅R
6
n
N
= ( 10,2 mm − 3,5 mm)
⋅ 271,7
mm
= 1820 N ≥ F 1397 N
i. O.
( F
) ( )
Abstr ,vorh
Abstr, erf =
Dies entspricht einer theoretischen Abstreifsicherheit von:
FAbstr,vorh
SAbstr ,theoretisch = = 1,3 . 30% Sicherheit
F
Abstr,erf
Die reale Abstreifsicherheit ist aber höher ist, da die Federdimensionierung für das
Ende der Abstreifoperation erfolgt ist.
Am Anfang der Abstreifoperation ist die Federkraft aufgrund der größeren
Federvorspannung an dieser Stelle größer.
Am Ende ist die erforderliche Abstreifkraft aufgrund der gegen Null gehenden
Kontaktmantelfläche Stempel/Loch kleiner.
zwei nicht betrachtete Sicherheiten bei der Federdimensionierung
S > S
)
Abstreif,real
2. Dauerfester Hubbereich
Abstreif,theoretisch
Die Feder ist dauerfest, wenn sich die Schwingbeanspruchung im Bereich von:
sv 6 = 0,30 ⋅ sn
= 5,0 mm und
s = 0,62 ⋅ s 10,2 mm befindet.
6 n =
Die gewählte Feder ist dauerfest, wenn gilt:
sA6
≥ sA,erf
s = 5,2 mm ≥ s 5,0 mm
i. O.
( ) ( )
A 6
A, erf =
Feder ist dauerfest ausgelegt.
Einzustellende Federvorspannung:
sv6,gew
= s6
− sA,erf
= 0,62 ⋅ sn
− sA,erf
sv 6, gew = 10,2 mm − 5,0 mm = 5,2 mm
Federeinbaulängen
Im eingebauten Zustand:
Im unteren Totpunkt:
L = L0 − sv6,
gew = 51mm − 5,2 mm = 45,8 mm
L = L0 − sv6,gew
− sA,
erf = 51−
5,2 − 5 = 40,8 mm
- 43 -

12 Arbeitsbedarf
12.1 Schneidarbeit
Die Schneidarbeit berechnet sich nach /1, Tafel 2, (T2/6)/ zu:
W
S
= m
S
⋅
∧
FS,ges
⋅ s
0
( 27 )
Kraftverlaufsfaktor m nach /1, Bild 60/
N
N
mit k s = xF
⋅Rm
= 0,7398 ⋅510
= 377,3 und s
2
2 0 = 1mm
gilt:
mm mm
m S = 0,57
W S
= 0,57 ⋅ 87896 N⋅0,001m
W S = 50,1Nm
12.2 Biegearbeit
Die Biegearbeit berechnet sich nach /1, Tafel 2, (T2/12)/ zu:
W
B
≈ m
B
⋅F
B,max
⋅h
B
( 28 )
Da ohne Gegenhalter gebogen wird, beträgt m B = 0,32
≈ r + r + s = 1mm + 1mm + 1mm 3 mm
hB M St 0
=
W B ≈ 0,32 ⋅13464 N⋅
0,004 m
W B ≈ 12,9 Nm
12.3 Federarbeit
Die Federarbeit für die Federn der Streifendruckplatte berechnet sich zu:
W
W
F
2 2
( s − s ) ⋅i
F
1
= ⋅R
⋅
2
6 v6,gew
( 29 )
Federzahl: i F = 6
N
Federkonstante: R = 271,7
mm
s 6 = 10,2 mm
sv 6, gew = 5,2 mm
1 N
= ⋅ 271,7
2 mm
2
2
( 10,2 mm) − ( 5,2 mm)
) ⋅ 6 62,8 Nm
F ⋅
=
2
- 44 -

12.4 Gesamtarbeitsbedarf
Der Gesamtarbeitbedarf errechnet sich zu:
W ges = WS
+ WB
+ WF
( 30 )
W ges = ( 50,1 + 12,9 + 62,8 )Nm
W ges = 125,8 Nm
12.5 Zusammenfassung
Tabelle 5:
Arbeitsbedarf
Arbeitsanteil
[Nm]
Schneidarbeit
Biegearbeit
Federarbeit
Gesamtarbeitsbedarf
W S
50,1
WB
12,9
WF
62,8
Wges
125,8
- 45 -

13 Auswahl der Presse
13.1 Berechnung des erforderlichen Stößelhubes H
nach /1, Bild 35/:
Mindeststößelhub vom UT ohne Vorschub:
h = t + t + l + t + h'
vU
E
EF
Ü
S
z
tE = tB
= 4 mm Stempeleintauchtiefe in die Matrize (für Biegestempel)
t EF = 1,0 mm Eintauchtiefe der Stempelunterkante in die Streifendruckplatte
l Ü = 4,5 mm Überstand des Suchstiftes (50° Kegelwinkel) über die Streifendruckplatte
tS ≈ 1,5 ⋅ s0
= 1,5 ⋅1mm
= 1,5 mm Sicherheitsabstand
h'
z = hz
− 4 mm = 8 mm − 2 mm = 6 mm Abstand Umgriff – Schneidplatte
( 31 )
h vU = 4 mm + 1,0 mm + 4,5 mm + 1,5 mm + 6 mm = 17 mm
Erforderlicher Stößelhub mit Vorschubschritt
Für Pressen mit
λ < 0,1
gilt in grober Näherung:
H ≥ 2 ⋅h vU
( 32 )
H ≥ 2 ⋅17 mm = 34 mm
H gew = 35 mm
13.2 Berechnung des Einbauraums bei HR 40 / 550 NL
Im UT bei H = 35 mm
h
UT
1
= h(H = Hmax
) + ⋅(Hmax
− Hgew
)
( 33 )
2
1
h UT = 220 mm + ⋅(80 mm − 35 mm) = 242,5 mm
2
Im OT bei H = 80 mm
h = h(H = H ) + H
( 34 )
OT
max
max
h OT = (220 + 80) mm = 300 mm
- 46 -

13.3 Presskraft
Tabelle 6:
Kraftbedarf
Kraftanteil
[kN]
Maximale Schneidkraft F ∧ 87,9
S
Biegekraft F ∧ 4,5
B
Maximale Kraft zum Nachdrücken FEN
13,5
Erforderliche Abstreifkraft
Vorhandene Abstreifkraft
FR,
ges
8,4
FAbstr,vorh,
ges 10,9
Kraftverlauf (qulitativ)
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
Kraft [kN]
20,0
10,0
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,0
h vUT [mm]
Schnittkraft Biegekraft Reibkraft Linear (Federkraft)
Bild 11: Kraftverlauf
Die maximale Presskraft bei ca. 3,2 mm vor dem UT berechnet sich zu:
∧
∧
FPr esse = FS
+ FB
+ FR,ges
+ FAbstreif
(hvUT
=
F
= (87,9 + 4,5 + 8,4 + 11,4) kN
Pr esse
=
112 kN
3,2 mm) F R,ges
wäre nur als Reibkraft richtig
- 47 -

13.4 Abschätzung des möglichen Arbeitsvermögens
Da keine Angaben für Arbeitsvermögen der Presse RASTER HR 40 / 550 NL vorliegen,
wird dieses näherungsweise aus Nennpresskraft und Nennkraftweg der Presse berechnet.
WN ≈ FN
⋅ sN
= 400 kN⋅
5,345 mm = 2138 Nm
Dieses Ergebnis ist jedoch von der vorhandenen Arbeitshubzahl abhängig.
Da ( W 2138 Nm) >> ( W 126 Nm)
≈ kann diese Presse genommen werden.
N ges =
Für genauere Betrachtungen ist das entsprechende Herstellerdatenblatt (lag nicht vor) zu
verwenden.
13.5 Auswahl der Presse
Pressenparameter nach /7/
Tabelle 7:
Pressenauswahl
Auswahlkriterium
Vorhandene
Parameter
(HR40/550NL)
Erforderliche
Parameter
Presskraft 30° vor UT bei kleinster
Arbeitshubzahl und mittlerem Hub
kN 400 >
112
S. 47
Arbeitsvermögen Nm 2138 >
125,8
Tabelle 5, S.45
Stößelhub, verstellbar in 5 mm Stufen mm 20 - 80
>
<
34
gewählt: 35
Einbauhöhe bei 35 mm Hub
im UT und Stößelverstellung oben
Einbauhöhe bei größtem Hub
im OT und Stößelverstellung oben
mm 242,5 > 235
mm 300 > 280
Tischaufspannplatte (Länge, Breite) mm 550 x 450 > 350 x 355
Stößelfläche (Länge, Breite) mm 550 x 360 > 330 x 300
Tischplattenöffnung (Länge, Breite) mm 450 x 100 > 70 x 270
Maximale Bandbreite mm 150 > 55
Bandeinlaufhöhe über Tisch mm 55 - 115
<
>
63
- 48 -

14 Zusatzangaben auf der Zeichnung
Tabelle 8:
Zusatzangaben für Zeichnung
Kriterium
Erforderliche Presskraft
Größe
112 kN
Erforderliche Abstreifkraft
Einbauhöhe (Werkzeugeinbauhöhe im UT)
Stößelhub
Presse
8,4 kN
230 mm
35 mm
Raster HR 160/1100 NL
Werkstückstoff USt 37-2G O3g (DIN 1623-2)
Blechdicke
Band-/Streifenbreite
Vorschubschritt
Werkzeugmasse
Masse Oberteil
Masse Unterteil
1 mm
55 mm
26,3 mm
140 kg
95 kg
45 kg
Schutzgitter anbringen
- 49 -

15 Anlagen
• CAD - Entwurf
• Einspannzapfen /6/
• Tragschraube /6/
• Tragzapfen /6/
• Wechselführungssäule mit Bund und Haltestückverschraubung /6/
• Führungsbuchse mit Bund (Bronze mit Festschmierstoff) /6/
• Haltestücke /6/
• Schneidstempel /6/
• Federn /6/
• Federeinbau /6/
• RASTER Stanzautomaten /7/
- 50 -

O
Fehler