Frage: Mir ist nicht ganz klar, wie der Biegeradius (wie bereits erwähnt) in der Zeichnung mit der Werkzeugauswahl zusammenhängt. Wir haben beispielsweise aktuell Probleme mit Teilen aus 0,5 Zoll dickem A36-Stahl. Für diese Teile verwenden wir Stempel mit 0,5 Zoll Durchmesser und eine Matrize mit 4 Zoll Öffnung. Wenn ich nun die 20%-Regel anwende und mit 4 Zoll multipliziere, erhalte ich bei einer Erhöhung der Matrizenöffnung um 15 % (für Stahl) 0,6 Zoll. Wie kann der Bediener aber wissen, dass er einen Stempel mit 0,5 Zoll Radius verwenden muss, wenn die Zeichnung einen Biegeradius von 0,6 Zoll erfordert?
A: Sie sprachen eine der größten Herausforderungen der Blechindustrie an. Es handelt sich um ein weit verbreitetes Missverständnis, mit dem sowohl Ingenieure als auch Fertigungsbetriebe zu kämpfen haben. Um dem entgegenzuwirken, beginnen wir mit der Ursache: den beiden Umformverfahren und dem fehlenden Verständnis ihrer Unterschiede.
Seit der Einführung von Biegemaschinen in den 1920er Jahren bis heute haben Bediener Teile mit Bodenbiegungen oder -schleifungen geformt. Obwohl das Bodenbiegen in den letzten 20 bis 30 Jahren aus der Mode gekommen ist, prägen Biegemethoden nach wie vor unser Denken beim Biegen von Blechen.
Präzisionsschleifwerkzeuge kamen Ende der 1970er-Jahre auf den Markt und revolutionierten die Branche. Schauen wir uns also an, wie sich Präzisionswerkzeuge von Hobelwerkzeugen unterscheiden, wie der Übergang zu Präzisionswerkzeugen die Industrie verändert hat und wie das alles mit Ihrer Frage zusammenhängt.
In den 1920er Jahren wandelte sich das Formverfahren von scheibenförmigen Abkantpressen hin zu V-förmigen Matrizen mit passenden Stempeln. Ein 90°-Stempel wird mit einer 90°-Matrize verwendet. Der Übergang vom Falten zum Umformen war ein großer Fortschritt für die Blechbearbeitung. Es ist schneller, unter anderem weil die neu entwickelte Abkantpresse elektrisch betätigt wird – das manuelle Biegen jeder einzelnen Biegung entfällt. Außerdem kann die Abkantpresse von unten biegen, was die Genauigkeit verbessert. Neben den Hinteranschlägen trägt auch die Tatsache zur höheren Genauigkeit bei, dass der Stempel seinen Radius in den inneren Biegeradius des Materials presst. Dies wird erreicht, indem die Werkzeugspitze auf eine Materialstärke aufgesetzt wird, die geringer ist als die Sollstärke. Bekanntermaßen lassen sich bei einem konstanten inneren Biegeradius die korrekten Werte für Biegeabzug, Biegezugabe, äußere Reduzierung und K-Faktor unabhängig von der Art der Biegung berechnen.
Oftmals weisen die Bauteile sehr enge Innenbiegeradien auf. Die Hersteller, Konstrukteure und Handwerker wussten, dass das Bauteil halten würde, da alles scheinbar erneuert worden war – und das war es im Grunde auch, zumindest im Vergleich zu heute.
Es läuft alles gut, bis etwas Besseres kommt. Der nächste Schritt nach vorn erfolgte Ende der 1970er-Jahre mit der Einführung präzisionsgeschliffener Werkzeuge, CNC-Steuerungen und fortschrittlicher Hydraulik. Jetzt haben Sie die volle Kontrolle über die Abkantpresse und ihre Systeme. Doch der entscheidende Wendepunkt ist ein präzisionsgeschliffenes Werkzeug, das alles verändert. Sämtliche Regeln für die Fertigung von Qualitätsteilen haben sich gewandelt.
Die Geschichte der Formgebung ist geprägt von großen Fortschritten. Mit einem einzigen Sprung gelangten wir von ungleichmäßigen Biegeradien bei Blechabkantpressen zu gleichmäßigen Biegeradien durch Stanzen, Grundieren und Prägen. (Anmerkung: Das Biegen von Blechen ist nicht dasselbe wie Gießen; siehe die Archivbeiträge für weitere Informationen. In dieser Kolumne verwende ich jedoch den Begriff „Biegen von unten“ für beide Verfahren.)
Diese Verfahren erfordern erhebliche Presskräfte zur Formgebung der Teile. Dies ist natürlich in vielerlei Hinsicht nachteilig für die Abkantpresse, das Werkzeug oder das Werkstück. Dennoch blieben sie fast 60 Jahre lang das gängigste Verfahren zum Biegen von Metallen, bis die Industrie den nächsten Schritt hin zum Luftformen unternahm.
Was genau ist also Luftformung (oder Luftbiegen)? Wie funktioniert sie im Vergleich zur Bodenbiegung? Dieser Sprung verändert erneut die Art der Radienbildung. Anstatt den Innenradius der Biegung auszustanzen, formt die Luft nun einen „schwebenden“ Innenradius, der einem bestimmten Prozentsatz der Matrizenöffnung oder des Abstands zwischen den Matrizenarmen entspricht (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1. Beim Freibiegen wird der Innenradius der Biegung durch die Matrizenbreite und nicht durch die Stempelspitze bestimmt. Der Radius ist innerhalb der Formbreite variabel. Zudem bestimmt die Eindringtiefe (und nicht der Matrizenwinkel) den Biegewinkel des Werkstücks.
Unser Referenzmaterial ist niedriglegierter Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit von 60.000 psi und einem Luftumformradius von ca. 16 % des Matrizenlochs. Dieser Prozentsatz variiert je nach Materialart, Fließfähigkeit, Zustand und anderen Eigenschaften. Aufgrund von Unterschieden im Blech selbst sind die vorhergesagten Prozentwerte nie exakt. Sie sind jedoch recht genau.
Weiches Aluminium bildet beim Umformen einen Luftradius von 13 % bis 15 % der Matrizenöffnung. Warmgewalztes, gebeiztes und geöltes Material weist einen Luftradius von 14 % bis 16 % der Matrizenöffnung auf. Kaltgewalzter Stahl (unsere Basiszugfestigkeit beträgt 60.000 psi) wird durch Luft innerhalb eines Radius von 15 % bis 17 % der Matrizenöffnung umgeformt. Der Luftumformungsradius von Edelstahl 304 beträgt 20 % bis 22 % der Matrizenöffnung. Diese Prozentwerte können aufgrund von Materialunterschieden variieren. Um den prozentualen Anteil eines anderen Materials zu bestimmen, können Sie dessen Zugfestigkeit mit der Zugfestigkeit unseres Referenzmaterials von 60 KSI vergleichen. Hat Ihr Material beispielsweise eine Zugfestigkeit von 120 KSI, sollte der prozentuale Anteil zwischen 31 % und 33 % liegen.
Nehmen wir an, unser Kohlenstoffstahl hat eine Zugfestigkeit von 60.000 psi, eine Dicke von 0,062 Zoll und einen sogenannten Innenbiegeradius von 0,062 Zoll. Biegt man ihn über die V-Bohrung der 0,472-Matrize, ergibt sich folgende Formel:
Ihr innerer Biegeradius beträgt also 0,075″, mit dem Sie Biegezugaben, K-Faktoren, Rückstellung und Biegeabzug mit einiger Genauigkeit berechnen können – vorausgesetzt, Ihr Abkantpressenbediener verwendet die richtigen Werkzeuge und konstruiert die Teile um die Werkzeuge herum, die die Bediener verwenden.
Im Beispiel verwendet der Bediener 0,472 Zoll. Stempelöffnung. Der Bediener kam ins Büro und sagte: „Houston, wir haben ein Problem. Es sind 0,075 Zoll.“ Aufprallradius? Sieht so aus, als hätten wir wirklich ein Problem; wo bekommen wir so etwas her? Das Nächstliegende, was wir finden können, ist 0,078 Zoll. „Oder 0,062 Zoll. 0,078 Zoll. Der Stempelradius ist zu groß, 0,062 Zoll. Der Stempelradius ist zu klein.“
Das ist jedoch die falsche Wahl. Warum? Der Stempelradius bestimmt nicht den Innenradius der Biegung. Wir sprechen hier nicht von der Biegung des Bodens – die Spitze des Stempels ist hier der entscheidende Faktor. Es geht um die Lufteinschlussbildung. Die Breite der Matrize erzeugt den Radius; der Stempel dient lediglich als Druckelement. Beachten Sie außerdem, dass der Matrizenwinkel den Innenradius der Biegung nicht beeinflusst. Sie können spitze, V-förmige oder U-förmige Matrizen verwenden; bei gleicher Matrizenbreite ergibt sich immer der gleiche Innenradius der Biegung.
Der Stempelradius beeinflusst das Ergebnis, ist aber nicht der bestimmende Faktor für den Biegeradius. Wenn Sie nun einen Stempelradius verwenden, der größer als der Biegeradius ist, erhält das Werkstück einen größeren Radius. Dies verändert die Biegezugabe, die Kontraktion, den K-Faktor und den Biegeabzug. Das ist nicht die optimale Lösung, oder? Sie verstehen – das ist nicht die beste Option.
Was wäre, wenn wir 0,062 Zoll verwenden? Aufprallradius? Dieser Treffer wird gut sein. Warum? Weil er, zumindest bei Verwendung von Fertigwerkzeugen, dem natürlichen, „schwebenden“ inneren Biegeradius so nahe wie möglich kommt. Der Einsatz dieses Stempels in dieser Anwendung sollte ein gleichmäßiges und stabiles Biegen gewährleisten.
Idealerweise sollte der Stempelradius dem Radius des beweglichen Teils angenähert, aber nicht überschritten werden. Je kleiner der Stempelradius im Verhältnis zum Biegeradius ist, desto instabiler und unvorhersehbarer wird die Biegung, insbesondere bei häufigem Biegen. Zu schmale Stempel verformen das Material und erzeugen scharfe Biegungen mit geringerer Konsistenz und Wiederholgenauigkeit.
Viele fragen mich, warum die Materialstärke nur bei der Wahl der Matrizenöffnung relevant ist. Die zur Berechnung des Luftformradius verwendeten Prozentsätze setzen voraus, dass die verwendete Form eine für die Materialstärke geeignete Öffnung aufweist. Das heißt, die Matrizenöffnung ist weder größer noch kleiner als gewünscht.
Obwohl sich die Größe der Form verringern oder vergrößern lässt, neigen die Radien dazu, sich zu verformen, wodurch sich viele Werte der Biegefunktion ändern. Ein ähnlicher Effekt tritt auch bei Verwendung eines falschen Formradius auf. Daher empfiehlt sich als Faustregel, die Matrizenöffnung dem Achtfachen der Materialstärke zuzuordnen.
Im besten Fall kommen die Ingenieure in die Werkstatt und sprechen mit dem Abkantpressenbediener. Stellen Sie sicher, dass alle die Unterschiede zwischen den Formgebungsverfahren kennen. Erkundigen Sie sich nach den verwendeten Verfahren und Materialien. Besorgen Sie sich eine Liste aller vorhandenen Stempel und Matrizen und konstruieren Sie das Bauteil anhand dieser Informationen. Dokumentieren Sie anschließend in der Dokumentation die für die korrekte Bearbeitung des Bauteils notwendigen Stempel und Matrizen. Natürlich kann es Ausnahmefälle geben, in denen Sie Ihre Werkzeuge anpassen müssen, dies sollte jedoch die Ausnahme und nicht die Regel sein.
Maschinenbediener, ich weiß, ihr seid alle etwas eingebildet, ich war ja selbst mal so! Aber die Zeiten, in denen man sich sein Lieblingswerkzeug aussuchen konnte, sind vorbei. Wenn einem jedoch vorgeschrieben wird, welches Werkzeug man für die Teilekonstruktion verwenden soll, sagt das nichts über das eigene Können aus. So ist das nun mal. Wir sind heute aus dem Nichts erschaffen und können nicht mehr faul herumsitzen. Die Regeln haben sich geändert.
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Veröffentlichungsdatum: 25. August 2023