Was ist Wärmeausdehnung?

Stahl wächst, wenn er heiß wird. Bei der Arbeit mit Stanzwerkzeugen führt dieses Wachstum zu Problemen.

Ich baue seit 18 Jahren Matrizen. Die Werkstätten, in denen ich gearbeitet habe, haben Tausende von Dollar durch Teile verloren, die falsch geliefert wurden, weil jemand die Hitze nicht berücksichtigt hat. Ein Folgeverbundwerkzeug, das mit 600 Hüben pro Minute läuft, erzeugt Reibung. Diese Reibung erhöht die Temperatur des Stempel- und Matrizenstahls. Der Stahl dehnt sich aus. Die Freigaben, die Sie gestern erstellt haben, sind nicht mehr die Freigaben, die Sie heute haben.

Die Zahlen

Werkzeugstahl dehnt sich bei jedem Grad Celsius Temperaturänderung um etwa 11 bis 12,5 Mikrometer pro Meter aus. Das klingt klein. Bei einem 200-mm-Matrizenabschnitt erhöht ein Temperaturanstieg um 30 Grad die Abmessungen um etwa 0,07 mm. Sie haben gerade Ihre Toleranz bei einem Teil überschritten, das ±0,05 mm benötigte.

D2-Stahl, A2-Stahl und die meisten lufthärtenden Werkzeugstähle liegen in diesem Bereich von 11–12,5. Der Karbidgehalt ist niedriger, etwa 5–6. Das Grundmetall, das Sie stanzen, hat seinen eigenen Koeffizienten. Aluminium dehnt sich fast doppelt so stark aus wie Stahl. Edelstahl liegt irgendwo dazwischen.

Wo es auftaucht

Bei der Drahterodiermaschine sehen die meisten Stanzwerkstätten als erstes, dass die thermische Ausdehnung echte Probleme verursacht. Die dielektrische Flüssigkeit reguliert die Temperatur, aber das Werkstück erwärmt sich beim Schneiden dennoch. Ein Block, der morgens 150.000 mm misst, könnte am Nachmittag 150.015 mm anzeigen. Einige Werkstätten nehmen die endgültigen Messungen erst vor, wenn das Teil über Nacht stand.

Schleifen ist schlimmer. Das Rad erzeugt an der Kontaktstelle Wärme. Ohne Flutkühlmittel kann ein Flachschleifer genug Wärme in einen Matrizeneinsatz einbringen, um eine Bohrungsstelle um mehrere Zehntel zu verschieben. Aus diesem Grund werden in Koordinatenschleifbetrieben temperaturgesteuerte Kühlmittelsysteme eingesetzt. Die besseren Werkstätten halten ihre Schleifflüssigkeit auf einen Wert von weniger als 1 Grad.

Während der Produktionsläufe erwärmt sich die Matrize in einem vorhersehbaren Muster. Die ersten 50 Teile weisen häufig andere Abmessungen auf als die Teile 500 bis 1000. Erfahrene Pressenbediener wissen das. Sie verwerfen die ersten Schüsse oder passen die Schließhöhe der Presse nach dem Aufwärmen an.

Probleme bei der Werkzeugmontage

Ein bei Raumtemperatur gebauter Matrizensatz verhält sich bei Betriebstemperatur anders. Der Stempelhalter und der Matrizenschuh dehnen sich aus. Die Führungsstifte und Buchsen dehnen sich aus. Wenn die Materialien nicht übereinstimmen, ändert sich die Passform.

Ich habe Geschäfte gesehen, die Bronze-Führungsbuchsen in Stahlschuhen verwendeten, ohne über die thermische Diskrepanz nachzudenken. Bronze dehnt sich stärker aus als Stahl. Bei Hitze lockert sich die Buchse in der Bohrung. Der Würfel beginnt zu laufen.

Passstifte stellen ein ähnliches Problem dar. Ein Gleitdübel bei 20 Grad wird zu einem losen Dübel bei 40 Grad. Einige Werkstätten verwenden zum Ausgleich eine engere Presspassung. Andere akzeptieren die Bewegung und kontrollieren sie mit Fersenblöcken.

Was funktioniert

Geschäfte mit kontrollierter Temperatur-helfen. Wenn die Umgebungstemperatur bei 20 Grad ±1 Grad gehalten wird, ist die Messung konsistent. Die meisten Werkzeugräume, in denen ich gearbeitet habe, waren nicht temperaturgeregelt. Sie lernen, damit umzugehen.

Es ist wichtiger, die Teile vor der endgültigen Bearbeitung stabilisieren zu lassen, als die meisten Menschen zugeben. Rohen Sie einen Teil auf, lassen Sie ihn 24 Stunden ruhen und beenden Sie ihn dann. Das Teil baut innere Spannungen ab und erreicht ein Gleichgewicht mit dem Raum. Ihre endgültigen Maße bleiben erhalten.

Konsistente Startvorgänge an der Presse reduzieren die Teilevariation. Lassen Sie die Matrize 15 Minuten lang laufen, bevor Sie Teile aufbewahren. Der Stahl erreicht Betriebstemperatur. Die Freigaben regeln sich.

Bei Matrizen, die heiß laufen-Hochgeschwindigkeitsanwendungen-oder schweres-Material mit einer Dicke-haben, leiten durch die Matrizenabschnitte gebohrte Kühlkanäle die Wärme ab. Die Automobilindustrie nutzt diese häufig für Heißprägevorgänge, bei denen der Rohling eine Temperatur von 900 Grad aufweist. Wasser oder Öl zirkuliert durch in die Formflächen eingearbeitete Kanäle.

Entschädigung

Einige Stanzformdesigner fügen ihren Drucken eine Vergütung hinzu. Sie schneiden das Drahterodierprofil mit einem Untermaß von 0,01 mm ab, da sie wissen, dass das Teil im Betrieb größer wird. Dieser Ansatz erfordert Produktionsdaten. Sie müssen genau wissen, wie heiß die Matrize wird und wie viel Wachstum dadurch entsteht.

Bei Folgeverbundwerkzeugen mit mehreren Stationen kann sich jede Station unterschiedlich ausdehnen. Die Umformstationen erzeugen mehr Wärme als Stanzstationen. Bei der Streifenanordnung müssen kumulative Effekte berücksichtigt werden.

Die meisten Geschäfte berechnen keinen Wärmeausgleich. Sie bauen die Matrize zum Drucken, führen Testteile durch, lokalisieren und justieren sie dann, bis die Teile richtig herauskommen. Das funktioniert. Es dauert länger.

Was nicht funktioniert

Das Problem zu ignorieren funktioniert nicht. Ich habe beobachtet, wie Formenbauer tagelang einem Dimensionsproblem nachjagten, das sich als thermische Drift im Schleifraum herausstellte. Die Klimaanlage schaltete sich ein und aus. Die Raumtemperatur schwankte um 5 Grad. Jedes Teil kam anders heraus.

Dem KMG zu vertrauen, ohne die Raumtemperatur zu überprüfen, funktioniert nicht. Koordinatenmessgeräte kompensieren ihre eigene Wärmeausdehnung. Sie kompensieren nicht den Teil, der auf dem Granit liegt.

Eine überstürzte Endkontrolle bringt nichts. Ein Teil, das frisch von der Drahtmaschine kommt, hat nicht die gleiche Größe wie ein Teil, das vier Stunden lang auf der Werkbank lag.

Das Fazit

Wärmeausdehnung ist Physik. Jeder Formenbauer weiß davon. Nicht jeder Stanzformhersteller plant dies. Die Werkstätten, die ihre Umgebung kontrollieren, ihre Teile stabilisieren und einheitliche Verfahren befolgen, erzielen bessere Ergebnisse. Die Betriebe, die nicht mehr Zeit damit verbringen, die Matrizen in der Druckmaschine anzupassen.

Die Zahlen stehen in den Handbüchern. Der Koeffizient für Ihren Stahl ist nur eine Google-Suche entfernt. Der schwierige Teil besteht darin, Gewohnheiten zu entwickeln, die bei jedem Betrieb und jeden Tag die Hitze berücksichtigen. Nach 18 Jahren muss ich mir immer noch daran erinnern, Teile abkühlen zu lassen, bevor ich sie messe.