UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

Aus der Forschung

Elektroband rotationsschneiden

Wo konventionelles Stanzen sich der hohen bewegten Massen wegen physikalischen Grenzen nähert, ist Rotationsschneiden erfolgreich. Vorliegender Beitrag arbeitet die Unterschiede zwischen den beiden Verfahren beim Verarbeiten von Elektroband heraus.

Mehr zur Firma


Rotation cutting

Where conventional stamping approaches its physical limitations due to the large masses being moved, rotation cutting can be highly successful. This article identifies the differences between the two procedures in the processing of electrical strip.

Die Verarbeitung von Elektroband zu Rotor- und Statorlamellen wird maßgeblich von zwei Verfahren dominiert. Im Prototypenbau und in Kleinserien kommt Laserschneiden, mit einer hohen Flexibilität aber auch geringeren Verarbeitungsgeschwindigkeit und hohen laufenden Kosten, zum Einsatz. In der Massenfertigung Stanzverfahren, welche sich besonders durch ihre hohe Produktivität auszeichnen. Als ergänzender alternativer Prozess wird das Rotationsschneiden von Elektroband in einem gemeinsamen Forschungsprojekt von der Vipem Hackert GmbH und dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (Faps) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg untersucht.

In vielen Anwendungen, in denen Rotationsschneiden technisch realisierbar ist, hat es sich als führende Technologie etabliert. Mit eminenten Vorteilen gegenüber dem Stanzen, wie den geringeren Investitionskosten, dem kompakteren Maschinenaufbau und geringerem Flächenbedarf mit einfachem Fundament sowie der höheren Ausbringung pro Zeit und der besseren Energieeffizienz, hat es das Potential, die Lücke zwischen Laserschneiden und konventionellem Hubstanzen von Elektroband bezüglich Ausbringung und Flexibilität zu schließen.

Zusätzlich ist ein Trend zur Verwendung von Elektrobändern mit weniger als 0,3 mm Blechdicke erkennbar, um die Wirbelstromverluste in Anwendungen bei hohen Frequenzen zu minimieren. Bei diesen geringen Materialstärken treten im Stanzprozess Abweichungen auf, die nur bedingt prozesssicher beherrschbar sind. Diese sind insbesondere eine ungenaue Positionierung des Blechbands im getakteten Vorschub, Knitterbildung und Reißen des empfindlichen Elektrobands durch eine hohe Flächenlast im Trennvorgang sowie ein Einziehen des Bandmaterials in den Schneidspalt. Diesen genannten Einschränkungen unterliegt Rotationsschneiden aufgrund seiner andersartigen Prozessstruktur nicht.

Rotationsschneiden unterscheidet sich wesentlich vom Hubstanzen. In der konventionellen Verarbeitung von Rotor- und Statorlamellen ist der Bandvorschub durch die Beschleunigung, die Verzögerung und das Stoppen des Blechbands in der nächsten Werkzeug-Position getaktet. Anschließend bewegt sich das obere Werkzeug nach unten und trennt die gesamte Kontur des Blechschnitts mit annähernd konstanter Geschwindigkeit im Komplett- oder Folgeschnitt. Der Trennvorgang wird durch gerade Stempel-Matrize-Werkzeuge mit geschlossenen Schnittlinien ausgeführt. Die Bandvorschubbewegung und die Werkzeughubbewegung laufen nacheinander ab und führen zu dynamischen Vibrationen und hohen Trägheitskräften, die mit dem Quadrat der Hubfrequenz steigen. Dagegen zeichnet sich das Rotationsschneiden durch zwei axialparallel angeordnete Werkzeugzylinder aus, die gegenläufig synchron rotieren. An den Umfängen sind jeweils Stempel und Matrize rotationsförmig angeordnet. Das Elektroband wird kontinuierlich zwischen diesen Werkzeugzylindern transportiert und dabei von der jeweils partiell im Eingriff befindlichen Schneiden-Sektion durchwandert und getrennt.


Unterschied resultiert aus Kinematik

Aus der Kinematik heraus resultiert der erste maßgebliche Unterschied: das Material wird nicht durch eine Hubbewegung, sondern von kontinuierlich rotierenden Werk-zeugen in einer zykloidischen Werkzeugbewegung getrennt. Die Zykloide ist eine Kurve die durch einen Punkt am Umfang eines Zylinders gezeichnet wird, wenn er auf einer Ebene oder um einen anderen Zylinder abrollt. [8; 9] Die Schneidgeschwindigkeit ist dabei beim Auftreffen des Stempels auf das Elektroband maximal und nimmt zunehmend ab bis sie im Umkehrpunkt null ist. Mit dem kontinuierlichen Ablauf des Schneidprozesses entsteht auch eine Verteilung der Schneidkraft, bzw. -arbeit ähnlich dem Schräg-Stempel-Prinzip. Daraus resultieren wesentlich geringere Schneidkräfte als beim konventionellen Stanzen.

Auch die Kontinuität des rotativen Schneidprozesses unterscheidet sich vom getakteten Vorschub und Werkzeughub des Stanzprozesses. Die Vorschubgeschwindigkeit als auch die Schneidbewegung sind kontinuierlich, konstant und laufen simultan ab. Damit sind die Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge des Materialbands und der Werkzeuge im Prozess eliminiert und folglich auch höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten denkbar. Zusätzlich resultiert diese Kontinuität auch in einer sehr hohen Energieeffizienz bei der Anwendung dieses Verfahrens.

Die Herstellung von Stanz- und Rotationsschneidwerkzeugen unterscheidet sich grundlegend. Während in der Fertigstellung von konventionellen Stanzwerkzeugen maßgeblich Planschleifprozesse zum Einsatz kommen, werden Rotations-Schneidwerkzeuge mit der auf die Zylindermantelflächen applizierten dreidimensionalen Schneidengeometrie durch Mikrohartbearbeitungsprozesse finalisiert. Somit muss die Kontur des herzustellenden Produkts mindestens mit dem Radius entsprechend dem minimalen Fräserdurchmesser verrundet werden. Diese Besonderheit eröffnet neue Freiheitsgrade in der Produktgestaltung und ist im Design der elektrischen Maschine zu berücksichtigen.

Die genannten alternativen technischen Bedingungen führen im Vergleich zum Stanzen zu einer hoch entwickelten Prozessstruktur, die in einer Pilotschneidanlage zum Rotationsschneiden von Elektroband umgesetzt ist. Die Besonderheit im Aufbau ist der technische Ausschluss einer Kollision, da Stempel und Matrize nicht ineinander eintauchen sondern nur aufeinander abrollen. Zusätzlich sind die Hohlräume an den Stempel und Matrizenflanken des Schneidwerkzeugs mit elastischem Polymer ausgegossen. Dies gewährleistet, dass das Bandmaterial im Schneidprozess niedergehalten und nach dem Schneidvorgang wieder ausgestoßen wird. Mit dieser Pilotanlage werden die Einflüsse verschiedener Prozessparameter wie Schneidspalt, Schneidkraft und Schneidgeschwindigkeit ausgewertet und optimiert. Die Schneidvorrichtung zeigt bereits jetzt deutliche Vorteile eines Rotationsschneidverfahrens für Elektroband. Mit nur ca. 5 m² Stellfläche, einer elektrischen Antriebsleistung von 0,55 kW und 120 Nm Drehmoment an den Werkzeugwalzen werden Statorlamellen mit einer Ausbringung von 230 Einheiten pro Minute geschnitten. Die Geschwindigkeit beim Auftreffen des Stempels auf das Bandmaterial beträgt dabei 3,5 m/min. Dies unterstreicht die Potenziale dieses Verfahrens und legitimiert es als zukünftige, ergänzende Alternative in der Verarbeitung von Elektroband.

Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Fürther Straße 246b, 90429 Nürnberg
Ansprechpartner sind Markus Hubert und Jörg Franke
Tel.: +49 911 53029086
markus.hubert@faps.fau.de
www.faps.de

Vipem Hackert GmbH
Hammerbrücker Straße 4, 08223 Grünbach
Ansprechpartner ist Jürgen Hackert
Tel.: +49 3745 78050
juergen.hackert@vipem.de
www.vipem.de