Zeitschriften | Der Schnitt- & Stanzwerkzeugbau

Aluminium - der optimale Werkstoff für Schnitt- und Stanzwerkzeuge und bei Säulengestellen

Kürzere Produktzyklen bei gleichbleibendem oder tendenziell­ steigendem­ Gesamtarbeits­volumen führen besonders im Werkzeug- und Formenbau zu einer Verringerung der Projektlaufzeiten. Der deutsche Werkzeug- und Formenbau steht verstärkt unter Rationalisierungsdruck, da er im Vergleich mit internationalen Wettbewerbern häufig deutliche Kostennachteile hat. Der Werkzeug- und Formenbau kann seine Position nur festigen, indem er sich auf seine Kerngeschäfte konzentriert. Steigende Stückzahlen, kompliziertere Teile und höherer Glattschnitt­anteil – das sind die aktuellen­ Anforderungen in der Blech­bearbeitung, rationelles­ Schneiden, Ziehen, Prägen, Lochen und Kalibrieren zur Herstellung von einbaufertigen Präzisionsteilen in einer Operationsfolge werden heute vom Markt gefordert. Wer am Markt bestehen will, muss flexibel sein. Der Zulieferer liefert nicht nur Werkzeuge, sondern bietet dem Kunden komplette Fertigungslösungen an. Intuition und Kreativität sind heute noch unverzichtbare Elemente unternehmerischen Erfolges. Leistungsfähigkeit und die Funktionsdichte im ersten Baustein Ideenmanagement werden Ideen zunächst gesammelt und anschließend auf Machbarkeit und Ertragsaussichten hin abgeschätzt. Die hauptsächlichen Quellen sind Markt (market pulled innovation­) und Technologie (technology driven innovation). Hier spielen Kreativmethoden, Technologie-Monitoring und intensive Kunden­kontakte die wesentlichen Rollen. Der Werkzeug- und Formenbau ist eine Schlüsseltechnologie für die Ur- und Umformverfahren. Die vom Markt geforderten Verkürzung­ der Produktlebenszyklen und Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit sind nur erreichbar, wenn Werkzeuge in kurzer Zeit bereit­gestellt werden können. Die permanente Suche nach Kosteneinsparungen­ verlangt Alternativen zu suchen. So werden­ auch im Werkzeugbau, wo vor­wiegend Stahl eingesetzt wurde­, die bisherigen Methoden, Werkzeuge­ und Materialien auf ihre Zweckmäßigkeit hin überprüft. Der Wettbewerb im Werkzeugbau­ hat sich in den letzen Jahren weltweit verschärft. So kam man vor ca. 30 Jahren dazu, ein neues Material "ALUMINIUM" für den Verwendungszweck Schnitt- und Stanzwerkzeuge einzusetzen. Das ist nicht verwunderlich, wenn man die Kombination günstiger Eigenschaften betrachtet, die Aluminium und Aluminiumlegierungen bieten können und die ganz allgemein auf die Formel „leicht fest und beständig­“ gebracht werden. Durch die Art und Menge der Legierungsbestandteile können bestimmte Eigenschaften, am stärksten die mechanischen Eigen­schaften, gezielt variiert werden. Die richtige Kombination von mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Werkstoffes ergibt nach der Wertanalyse­ die richtige Lösung. Neben dem Gewichtsvorteil von etwa 50 % gegenüber Stahl und den damit verbundenen Handlingsvorteilen überzeugen, Aluminiumspezifisch, die leichtere, schnellere Bearbeitung sowie die hohe Leit­fähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Erhebliche Zeiteinsparungen sind möglich dank wesentlich höheren Span- und Erodier­geschwindigkeiten bei geringerem Werkzeugverschleiß. Immer dann, wenn aufgrund der Beanspruchung des Werkzeuges höchste Festigkeiten verlangt sind, bietet sich die Verwendung von EN-AW 7075 (DIN / EN : Al Zn Mg Cu 1,5) an. Die Platten werden­ im Zustand T 651 hergestellt. Das heißt, diese Platten werden in spannungsarm gereckter Ausführung­ gefertigt. Das Material wird in dem für die Bearbeitung nötigen Zustand angeliefert und soll beim Verarbeiter keiner Wärmebehandlung unter­zogen werden.

Eigenschaften von Aluminiumlegierungen­

EN-AW 7075 hat folgende physi­kalische Eigenschaften: eine Dichte von 2,8 g/cm3, ein E-Modul von ca. 70.000 N / mm2, eine Wärmeausdehnungszahl von 23,3 x 10-6 x C-1 und eine Elektrische Leitfähigkeit von 18-22 m// Ω x mm2. Bei Beanspruchung mit Normalkräften (Zug, Druck) oder Biegekräften ist die elastische Verformung daher entsprechend dem Verhältnis der E-Modulen von Aluminium dreimal so hoch wie die von Stahl. Mindestwerte­ für die mechanischen Eigenschaften im Werkzeug- und Formenbau vor­wiegend angewendeter Aluminium­legierungen finden sich in DIN-EN 485-2.

Korrosionsverhalten

Auf der Oberfläche von Aluminium­ bildet sich unter Einwirkung des Luftsauerstoffs spontan eine nur 0,001 my dicke Oxidschicht, die das darunterliegende Metall vor weiterem atmosphärischem Angriff schützt. Der Einfluss der Legierungsbestandteile ist außer von Art und Menge auch von der Verteilung im Gefüge abhängig. Aus diesem Grunde sind Aluminiumlegierungen­ mit Kupfer weniger gut beständig als solche­ mit Legierungsbestandteilen­, die selbst ebenfalls Decksichten bilden­, wie z. B. Magnesium. In trockenen Räumen sind auch bei kupferhaltigen Aluminium­legierungen keinerlei Korrosions­schäden zu befürchten.

Zerspanen von Aluminium / Zeitersparnis

Trotz seiner verhältnismäßig hohen Festigkeit kann Aluminium mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zerspant werden. Aluminium erlaubt je nach Werkstoff Vorschubgeschwindigkeiten bis zum 5fachen als bei Stahl – und das bei minimalen Werkzeugverschleiß. Die volle zeitliche Nutzung der Zerspanungsvorteile ist möglich, wenn geeignete, auf Aluminium abgestimmte Einsatzwerkzeuge verwendet werden.

HSC-Bearbeitung

Der unmissverständliche Ratio­nalisierungsdruck in der Fertigung treibt den Trend zur Komplettbearbeitung weiter voran. Die Hauptzeitverkürzung durch höhere Zerspannungsleistung, der Wegfall von Nachbearbeitungsschritten sowie hervorragender Ober­flächenqualität, dies sind Vorteile mit sinnvoll eingesetzter HSC. HSC ist die Technologie der Zukunft­, hat sich jetzt bereits im Betriebsalltag in breiten Anwenderkreisen bewährt. HSC bringt für wichtige Teilbereiche wie Bohren, Reiben und Fräsen erhebliche Vorteile in der Qualität und der Bearbeitungsgeschwindigkeit­. Die hohen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe (abhängig auch vom zerspanendem Werkstoff), die etwa sechs- bis zehnfach höher liegen, als bei herkömmlichen Maschinen, ergeben sowohl eine gesteigerte Produktion als auch eine bessere Oberflächengüte und hohe Konturgenauigkeiten. Folgende Zeiteinsparungen werden bei der Aluminiumverarbeitung erzielt:

• beim Fräsen bis zu 60 Prozent,

• bis zu 50 Prozent beim Drehen und Bohren und

• bis zu 70 Prozent beim Erodieren gegenüber Stahl.

Funken- und Drahterodieren von Aluminiumwerkstoffen

Die Anwendung der Funken­erosion ist weitgehend nur für die Stahl­bearbeitung bekannt. Auch Aluminium lässt sich problemlos funkenerodieren, wobei sogar mehrfach höhere Abtragraten im Vergleich zur Stahlbearbeitung erzielt werden. Ferner entsteht keine sogenannte „weiße Schicht“ (die bei Stahl außerordentlich hart ist), so dass eventuell notwendige Polierarbeiten auf ein Minimum­ reduziert werden. Die hauptsächlich in der Praxis angewendeten­ Erodiertechnologien werden in zwei Verfahren unterteilt.

• Die Planetär-Senkero­dieren (P-EDM-Verfahren)

• Die Draht­erosion (funkenerosives Schneiden mit Draht oder EDC-Verfahren).

Hierbei gelten folgende Einstellregeln am Impulsgenerator: Impulsstrom­ und Zündstrom je nach Elektrodenfläche und gewünschter Oberflächengüte wie beim Erodieren von Stahl einstellen, jedoch Impulsdauer um eine Stufe reduzieren oder Pausendauer um 1 Stufe erhöhen. Die Leistungssteigerungen sind verblüffend: Beim Schruppen war man teilweise sechs bis achtmal schneller, beim Schlichten drei bis fünfmal und beim Feinschlichten immerhin noch doppelt so schnell wie bei der Stahlverarbeitung. Die anschließenden Polierarbeiten lassen sich in der Regel auf etwa ein Drittel des Zeitaufwandes im Vergleich zu Stahl vermindern.

Schleifen von Aluminium­

Der Nachteil des nichtmagnetischen Werkstoffes beim Schleifen lässt sich durch einen Trick ausgleichen; wenn die Aluminiumplatten von Stahlleisten umrahmt auf dem Magnettisch aufgespannt – und auch mit reichlich Spülung gearbeitet wird. Alter­nativ bieten sich Vakuum-Spannsysteme an.

Vorteile von Aluminium­ - Das niedrige Gewicht

Der Werkstoff Stahl hat sich seit langem im Werkzeugbau fest etabliert. Während die mechanischen Festigkeiten von Stahl nach wie vor für seinen Einsatz in der Herstellung von Werkzeugelementen sprechen, erweist sich sein hohes Gewicht oft als Nachteil. Das trifft insbesondere dort zu, wo Werkzeuge in Formgebungsmaschinen mit hoher Frequenz arbeiten. Zu den industriellen Sektoren­, in denen das Produktionstempo zur Zeit besonders stark erhöht wird, zählt die Herstellung von relativ kleinen metallischen Serienteilen­. Hier werden­ in den Produktions­straßen vorwiegend Folgeverbund- und Transferwerkzeuge eingebaut. Derartige Werkzeuge müssen auch bei Taktzahlen von mehreren­ hundert pro Minute störungsfrei arbeiten­. Es versteht sich von selbst, dass bei diesen Frequenzen die sich bewegenden Werkzeuge sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen­. Daraus folgt die Notwendigkeit, die Masse (Gewicht) des Werkzeuges zu reduzieren. Eine Aluminiumlegierung­ wie EN-AW 7075 mit seinem spezifischen Gewicht von 2,8 g/cm3 kommt dieser Forderung sehr gut entgegen. Im Wettbewerb mit Stahl bringt die niedrige Dichte von Aluminium-Werkzeugen nicht nur während den Schnelllaufenden Produktions­etappen Vorteile. So lassen Aluminium-Werkzeuge den Ein- und Ausbau weitgehend von Hand zu, womit die Benützung­ von mechanischen­ Hebe- und Transportmitteln entfällt. Zusammen mit den primären positiven Auswirkungen des niedrigen Eigen­gewichtes im maschinellen Betrieb ergeben auch die im Handling messbaren wirtschaft­lichen Vorteile ein überzeugendes Argument­.

Zusammenfassende Schlussbetrachtung­

Bei Stanzwerkzeugen hat die Verwendung von Aluminium zu erheblich besseren Ausbringun­gen geführt, da bei gleicher Teilequalität höhere Hubzahlen bei geringerem Maschinenverschleiß erreicht werden können. Durch das geringere Gewicht ist der Werkzeugwechsel wesentlich einfacher und schneller. Auch kann man heute auf Säulen­gestellen aus Aluminium zurückgreifen­. Damit kann man vor allem viel Zeit sparen und die Kosten senken. So bilden beispielsweise die Konstruktions­richtlinien die entscheidende Grundlage für eine Standardisierung im Werkzeugbau. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass der Werkzeugbauer auf genormte Bauteile und Elemente­ zurückgreift. Säulengestelle sind genormt nach DIN 9811-1 in der die Technischen Lieferbedingun­gen stehen­. Stahlhart und in Treue fest hängt so mancher­ Konstrukteur und Werkzeugbauer­ am Altbewährten und Althergebrachten. So haben­ es Leichtmetallegierungen nicht gerade­ leicht, sich bei den Werkzeug­- und Formenbauern durchzusetzen. Nach dem Motto­ „Störe meine Vorurteile­ nicht durch Fakten und Zahlen“ werden die schwer­gewichtigen Vorteile der leichten Metalle vielfach weg­geschoben und verdrängt. Immer wieder kommen­ die Abwehr­argumente: „Das haben wir schon immer so gemacht“ und „Das haben wir noch nie so gemacht“ hoch. Doch der Druck der Kosten wird immer stärker, und der Werkzeugbauer kommt nicht mehr an den Werkstoff ALUMINIUM vorbei, der sich seit über 30 Jahren in diesem Bereich bewährt hat.

Literaturhinweise:

- Einsatz von Aluminium in Werkzeug­- und Formenbau von Alfred Erstling

- Vortrag „Einsatz von Aluminium im Stanzwerkzeugbau“ beim AWF, Frankfurt

- Vortrag „ Aluminium für Schnitt-, Stanz- und Transferwerkzeuge“ IBU, Hagen

- DIN Taschenbuch 450

- Aluminium 1- vom Beuth-Verlag

- HSC-Bearbeitung von Precise

- Tabelle Ingersoll

 

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