Stanzschmierung für Elektrostahl: Gleichgewicht zwischen Werkzeuglebensdauer und Sauberkeit

Wichtigste Erkenntnisse

• Auswahl des Stanzschmiermittels für Elektrostahlbleche muss von den Anforderungen an die nachgeschaltete Sauberkeit ausgehen, nicht von den Anforderungen an die Werkzeuge - die Reinigungsbedingung ist schwieriger zu ändern als die Werkzeugschutzstrategie.
• Isolierbeschichtungen auf Elektroband stehen in chemischer und mechanischer Wechselwirkung mit Schmiermitteln; Kompatibilitätstests vor der Produktionsfreigabe verhindern eine Verschlechterung der Beschichtung, die den Kernverlust erhöht.
• Schmiermittelrückstände, die zwischen den Lamellen eines Stapels eingeschlossen sind, verhalten sich anders als Rückstände auf einer freiliegenden Oberfläche - insbesondere beim Spannungsarmglühen, wo die Zersetzungsprodukte nur begrenzt entweichen können.
• Der durch unzureichende Schmierung verursachte Werkzeugverschleiß kostet nicht nur Werkzeugkosten, sondern verschlechtert auch die magnetischen Eigenschaften der Schnittkanten, erhöht die Grathöhe und beschädigt die Isolierung zwischen den Lamellen - all dies beeinträchtigt die Motorleistung.
• Vorab aufgetragene Trockenfilm-Schmiermittel machen die Reinigung nach dem Stapeln überflüssig, erhöhen jedoch die Kosten pro Kilogramm Band und verringern die Einstellbarkeit während des Durchlaufs. Verschwindende Öle reduzieren den Reinigungsaufwand, verschwinden aber nicht immer schnell genug für Hochgeschwindigkeits-Stapellinien.

Warum Elektrostahl eine spezielle Stanzschmierung erfordert

Elektrostahl ist kein normaler Kohlenstoffstahl. Es ist mit einer Isolierschicht versehen - manchmal organisch, manchmal anorganisch, manchmal eine Mischung -, die das Stanzen überstehen und im fertigen Stapel zwischen den Lamellen landen soll, wo sie echte elektrische Arbeit leistet. Diese Beschichtung interagiert mit dem Schmiermittel, das Sie auf das Band auftragen. Manchmal ist das hilfreich. Oft aber auch nicht.

Die Beschichtungen auf nichtorientiertem Elektroband sind dünn. In der Regel nur wenige Mikrometer. Sie sind dazu da, Wirbelströme zwischen den Lamellen im montierten Kern zu begrenzen. Werden sie beim Stanzen beschädigt, durch Rückstände verunreinigt oder bei der Reinigung ungleichmäßig abgetragen, zahlt der Stapel den Preis für einen Kernverlust, der sich möglicherweise erst bei der Prüfung - oder schlimmer noch - im Betrieb zeigt.

Es geht also nicht nur um die Schmierung eines Stanzvorgangs. Sie schmieren einen Stanzvorgang auf einem beschichteten Substrat, bei dem die Beschichtung später eine Aufgabe zu erfüllen hat. Diese Einschränkung ändert alles darüber, wie Sie den Schmierstoff auswählen, auftragen und entfernen.

Auch die Metallurgie ist zu berücksichtigen. Sorten mit höherem Siliziumgehalt - 2,5% Si und mehr, die in hochwertigen Motorblechen üblich sind - sind härter und spröder als Baustahl. Sie verschleißen die Werkzeuge schneller. Sie brechen leichter an der Scherkante, wenn die Bedingungen nicht stimmen. Das Schmiermittel muss die Reibung und Hitze an der Schnittstelle zwischen Stempel und Matrize bewältigen, während es mit einem Werkstückmaterial zu tun hat, das weniger nachsichtig ist als das, worauf die meisten Stanzingenieure trainiert sind.

Was der Schmierstoff an den einzelnen Werkzeugstationen tatsächlich bewirkt

Es lohnt sich, genau zu sein, denn das vage Gerede von “Reibungsreduzierung” erfasst nicht die gesamte Aufgabenstellung. In einem Folgeverbundwerkzeug, das Lamellen stanzt, wirkt das Schmiermittel an mehreren Stellen gleichzeitig:

• Zwischen dem Band und der Matrizenoberfläche bei der Fütterung und Positionierung
• An der Schnittstelle zwischen Stanze und Streifen beim Scheren und Lochen
• Zwischen dem Band und der Abstreifplatte beim Bandabheben
• An der Ausblendkante wo sich das Schnittprofil vom Träger trennt
• Auf der Schnecke wenn es durch den Würfelknopf hindurchgeht

In jeder dieser Zonen herrschen leicht unterschiedliche Druck-, Temperatur- und Oberflächengeschwindigkeitsbedingungen. Der Schmierstoff kann sich nicht aussuchen, welche Zone er bedient. Er muss in allen Zonen arbeiten, je nachdem, welche Schichtdicke das Zuführsystem überstanden hat und welche Oberflächenenergie und Benetzbarkeit die Beschichtung auf dem Stahl hinterlässt.

Und dann, nach all dem, muss es abgenommen werden.

Anforderungen an die Sauberkeit von Laminierstapeln nach dem Stempeln

Bei vielen Stanzanwendungen ist ein wenig Restöl auf dem Teil während der Lagerung tolerierbar oder sogar schützend. Bei Laminierstapeln ist das nicht der Fall.

Schmiermittelrückstände, die sich zwischen den Lamellen einer Stapeldose befinden:

• Verringerung der Wirksamkeit der Isolierbeschichtung durch Schaffung von leitenden oder halbleitenden Pfaden
• Beeinträchtigung von Klebstoffen, wenn der Stapel eine Klebemontage verwendet
• Ausgasungen bei thermischen Verarbeitungsschritten wie dem Spannungsarmglühen, die die Ofenatmosphäre verunreinigen
• nach der Wärmebehandlung kohlenstoffhaltige Ablagerungen auf den Laminatoberflächen hinterlassen, die den spezifischen Oberflächenwiderstand auf unvorhersehbare Weise verändern
• Beeinträchtigung der Dimensionsstabilität des Stapels während der Komprimierung, wenn der Rückstand wie ein Film unterschiedlicher Dicke wirkt

All dies ist nicht hypothetisch. Sie kommen vor. Die Frage ist immer, wie viel Rückstand zu viel ist, und die Antwort hängt von dem nachgeschalteten Prozess ab.

Ein Stapel, der auf dem Außendurchmesser geschweißt wird und nie einen Ofen sieht, stellt andere Anforderungen an die Sauberkeit als ein Stapel, der bei 750 °C oder mehr eine vollständige Spannungsfreiglühung durchläuft. Ein Stapel, der selbstklebende Laminate mit hitzeaktivierten Klebstoffbeschichtungen verwendet, ist besonders empfindlich - jede Verunreinigung auf der Klebefläche schwächt direkt die mechanische Integrität des Kerns.

Die Sauberkeitsspezifikation sollte festgelegt werden, bevor der Schmierstoff ausgewählt wird. Nicht andersherum. Dieser Bestellfehler ist weit verbreitet.

Stanzschmierstofftypen für Elektrostahl im Vergleich

Es gibt keinen Universalsieger. Die richtige Wahl hängt von der Produktionsgeschwindigkeit, der Komplexität des Werkzeugs, der Stahlsorte, der Art der Beschichtung, der Reinigungsfähigkeit und der Frage ab, was mit der Laminierung nach dem Prägen geschieht. Hier ist ein praktischer Vergleich:

Aus dieser Tabelle gehen einige Dinge hervor. Mit Trockenschmierstoffen entfällt das Problem der Reinigung nach dem Stanzen vollständig, aber sie erfordern eine Abstimmung mit dem Stahllieferanten und verursachen zusätzliche Kosten pro Kilogramm Band. Außerdem eignen sie sich nicht für jede Matrizengeometrie gleichermaßen gut - komplexe Folgeverbundmatrizen mit vielen Stationen und engen Trägerbrücken benötigen unter Umständen eine zusätzliche Schmierung, selbst wenn das Band vorbeschichtet angeliefert wird.

Verschwindende Öle sind beliebt, weil sie das Verfahren vereinfachen. Aber “verschwinden” ist ein relativer Begriff. Diese Öle verflüchtigen sich bei Hitze und mit der Zeit. Ob sie vor dem Stapeln tatsächlich verschwunden sind, hängt von der Umgebungstemperatur, der Luftzirkulation, der Zeit zwischen dem Stanzen und der Montage und davon ab, wie viel Öl überhaupt aufgetragen wurde. In einer schnell laufenden Linie, in der die Bleche innerhalb von Sekunden von der Matrize zum Stapel gelangen, ist das “Verschwinden” noch nicht passiert.

Wie die Schmierung von Stanzwerkzeugen die Lebensdauer der Matrize und die Qualität der Laminierkanten beeinflusst

Der Zusammenhang zwischen Schmierung und Werkzeuglebensdauer ist in der Stanztechnik allgemein gut bekannt. Weniger bekannt ist, wie sich der Verschleiß der Matrize auf die Qualität der Laminierung auswirkt.

Wenn sich ein Stempel abnutzt, vergrößert sich das effektive Spiel zwischen Stempel und Matrize. Diese Spielveränderung wirkt sich aus:

• Grathöhe an der Schnittkante
• Das Verhältnis von Scherzone zu Bruchzone auf der Schnittfläche
• Eigenspannung im Material in der Nähe des Schnitts
• Randzustand der Isolierschicht

Gratbildung ist das sichtbare Symptom. Für die Motorleistung sind jedoch die unsichtbaren Symptome von größerer Bedeutung. Erhöhte Kaltverfestigung an der Schnittkante verschlechtert lokal die magnetische Permeabilität. Eine Beschädigung der Beschichtung an der Scherkante kann zu elektrischen Brücken zwischen den Blechen führen, wenn diese unter Druck gestapelt werden.

Eine Schmierung, die die Lebensdauer des Stempels vor dem Nachschleifen um 15-20% verlängert, ist also nicht nur eine Frage der Werkzeugkosten. Es geht auch um die Qualität der Laminierung. Weniger Verschleiß bedeutet eine stabilere Grathöhe, eine gleichmäßigere Kantenbeschaffenheit, längere Laufzeiten zwischen den Wartungsunterbrechungen und - das ist der Teil, der oft übersehen wird - ein gleichmäßigeres magnetisches Verhalten über eine Produktionscharge hinweg.

Die Kehrseite der Medaille: Wenn Sie durch die Verwendung eines schwereren, aggressiveren Schmiermittels eine maximale Lebensdauer der Matrize anstreben, gewinnen Sie zwar bei den Werkzeugen, verlieren aber bei der Sauberkeit, der Kompatibilität der Beschichtung oder der Handhabung nach dem Stempeln. Das ist das Gleichgewicht im Titel dieses Artikels, und es löst sich nicht von selbst. Sie müssen es Stück für Stück angehen.

Stempel-Matrizenspiel, Pressengeschwindigkeit und die Grenzen der Schmierung

Die Versuchung ist groß, die Schmierung als die Antwort auf alle Probleme beim Stanzen von Elektrostahl zu betrachten. Das ist sie nicht.

Wenn der Abstand zwischen Stempel und Matrize für die Materialqualität und -dicke nicht stimmt, kann keine Menge Schmiermittel eine saubere Kante erzeugen. Wenn die Pressengeschwindigkeit höher ist, als das Vorschubsystem genau verfolgen kann, kommt das Band in einer leicht falschen Position an der Station an, und der Schmierstoff kann nichts Nützliches zu diesem Problem beitragen. Wenn die Werkzeugkonstruktion zu viele Stationen in einen zu kurzen Bandverlauf zwängt und der Träger mechanisch instabil ist, kann das Schmiersystem ihn nicht stabilisieren.

Die Schmierung ist eine Prozessvariable. Eine bedeutende. Aber sie funktioniert innerhalb eines Systems, und dieses System umfasst die Spaltkonstruktion, das Bandlayout, die Pressendynamik, die Wartungspläne für die Werkzeuge und die Stapelvorbereitung. Wenn Teams die Schmierung als einen Knopf betrachten, an dem sie drehen können, wenn etwas schief läuft, endet das oft in einer Überschmierung, die ein Problem gegen ein anderes austauscht.

Schmiermittel-Auftragsmethoden: Rolle, Spray, Tropfen und Trockenfilm

Die Anwendungsmethode und die Gleichmäßigkeit der Anwendung verdienen mehr Aufmerksamkeit, als sie normalerweise erhalten.

Anwendung von Walzen bietet eine angemessene Kontrolle über die Schichtdicke und ist bei Folgeverbundwerkzeugen mit Bandzuführung üblich. Aber der Zustand der Walzen verschlechtert sich. Die Walzenoberfläche nimmt Feinteile aus der Bandbeschichtung auf. Die Schichtdicke ändert sich, wenn sich der Walzendruck ändert oder wenn sich die Viskosität des Schmiermittels mit der Betriebstemperatur ändert. Ohne regelmäßige Überprüfung wird aus einem gut kontrollierten Film eine unkontrollierte Variable.

Sprühanwendung kann dünnere, gleichmäßigere Filme erzielen, wenn die Düsengeometrie und der Druck beibehalten werden. Außerdem wird mehr Schmiermittel in Form von Overspray und Nebel verschwendet, was in geschlossenen Druckmaschinenbereichen zu Problemen bei der Haushaltsführung und Umweltkontrolle führt.

Tropfsysteme sind einfach und billig. Sie sind aber auch inkonsequent. Bei einem schnelllaufenden Folgeverbundwerkzeug ist die Tropfschmierung oft eine alte Einrichtung, die niemand überarbeitet hat, weil sie “funktioniert”. Sie funktioniert - in dem Sinne, dass das Werkzeug nicht festklemmt. Ob sie im Sinne der Optimierung des Gleichgewichts zwischen Werkzeugschutz und Sauberkeit funktioniert, ist eine ganz andere Frage.

Vorgefertigte Trockenfilme all dies zu umgehen. Die Folie ist vorhanden, sie ist gleichmäßig, und sie wurde unter kontrollierten Bedingungen in der Stahlverarbeitungsanlage aufgebracht. Der Stanzbetrieb muss nichts auftragen. Der Nachteil sind die Kosten, die Vorlaufzeit und die geringere Flexibilität bei der Anpassung der Schmierung während des Durchlaufs.

Reinigen von gestanzten Laminaten vor dem Stapeln und Glühen

Wenn das Schmiermittel nicht verschwindet und der nachgeschaltete Prozess eine saubere Oberfläche erfordert, muss jemand die Laminate reinigen. Dieser Schritt kostet Geld, Zeit, Platz und Aufwand für die Einhaltung der Umweltvorschriften.

Zu den üblichen Reinigungsverfahren gehören:

• Wässriges Waschen mit alkalischen oder neutralen Reinigungsmitteln, manchmal mit Ultraschall. Wirksam bei wasserlöslichen Kunststoffen und leichten Ölen. Weniger wirksam bei schweren Mineralölen. Erfordert eine anschließende Trocknung - ein weiterer Schritt und eine weitere potenzielle Oxidationsquelle, wenn nicht kontrolliert.
• Reinigung mit Lösungsmitteln mit Kohlenwasserstoff- oder modifizierten Alkohollösungsmitteln. Wirksam bei reinen Ölen. Umwelt- und Arbeitsschutzvorschriften haben dazu geführt, dass dieser Weg in vielen Regionen immer schwieriger zu rechtfertigen ist.
• Thermische Entfettung in den Spannungsarmglühzyklus integriert. Die Ofenatmosphäre verbrennt oder verflüchtigt das Restschmiermittel in den frühen Phasen des Wärmezyklus. Dies kann funktionieren, erfordert aber eine sorgfältige Kontrolle der Atmosphäre, um Kohlenstoffablagerungen auf den Laminatoberflächen und eine unkontrollierte Oxidation zu vermeiden. Es bedeutet auch, dass der Ofen eine doppelte Aufgabe erfüllt - Reinigen und Glühen - was das Atmosphärenmanagement erschwert.
• Sich allein auf die Verdunstung verlassen - und die Akzeptanz von Spurenrückständen. Dies ist häufiger der Fall, als öffentlich zugegeben wird. Es funktioniert, bis es nicht mehr funktioniert.

Die Wahl hängt vom Volumen, dem verwendeten Schmiermittel, der Verbindungsmethode für den Stapel und davon ab, ob der Stapel geglüht wird. Bei verzahnten Stapeln, die ohne Wärmebehandlung direkt gewickelt werden, ist die Rückstandstoleranz oft relativ hoch. Bei geklebten Stapeln oder geglühten Stapeln ist sie viel geringer.

Verhalten von Schmiermittelrückständen während des Spannungsfreiglühens von Lamellenstapeln

Spannungsarmglühen wird häufig bei Blechpaketen eingesetzt, die ihre durch den Stanzprozess beeinträchtigten magnetischen Eigenschaften wiedererlangen sollen. Das Glühen erfolgt in der Regel bei 700-800 °C in einer kontrollierten Atmosphäre - häufig trockener Stickstoff, Stickstoff-Wasserstoff-Gemische oder in einigen Fällen eine leichte exotherme Atmosphäre.

Bei diesen Temperaturen zersetzen sich die organischen Schmierstoffreste. In was sie sich zersetzen, hängt von der Chemie des Schmierstoffs, der Atmosphäre und dem Temperaturprofil ab. Im besten Fall verflüchtigen sie sich sauber, und die Atmosphäre trägt sie ab. Im schlimmsten Fall verkohlen sie auf der Blechoberfläche, reagieren mit der Isolierbeschichtung oder erzeugen genügend Zersetzungsprodukte, um die Ofenatmosphäre zu überlasten und lokal reduzierende oder aufkohlende Bedingungen zu schaffen.

Das Problem wird bei einem Stapel noch verstärkt, da die Rückstände zwischen den Schichten eingeschlossen sind. Es gibt keine freie Oberfläche für eine einfache Verflüchtigung. Die Zersetzungsprodukte müssen über die Kanten des Stapels nach außen wandern, was bei einem hohen, dicht gepackten Stapel ein wirklich langsamer Diffusionsweg sein kann. Die Lamellen in der Mitte des Stapels können also länger den Zersetzungsprodukten ausgesetzt sein als die Lamellen an den Rändern.

Dies ist eines der Probleme, die sich nicht bei einem Test auf einem einzelnen Laminierungscoupon zeigen. Es zeigt sich nur bei einem Produktionsstapel in einem Produktionsofen. Und bis dahin suchen die Leute das Problem normalerweise woanders.

Praktische Prozessrichtlinien für die Stanzschmierung von Elektrostahl

Es gibt keine Formel, die den perfekten Schmierstoff ausspuckt. Aber es gibt Entscheidungsgrundsätze, die in der Regel zu besseren Ergebnissen führen:

Gehen Sie von den Anforderungen an die Sauberkeit aus, nicht von den Anforderungen an die Werkzeuge. Finden Sie heraus, was der nachgelagerte Prozess tolerieren kann, und finden Sie dann ein Schmiermittel, das diese Einschränkung erfüllt und gleichzeitig die Form schützt. Der umgekehrte Weg, d. h. die Auswahl des besten Werkzeugschmierstoffs und der Versuch, ihn dann zu reinigen, kostet in der Regel mehr Geld.

Stimmen Sie den Schmierstoff auf die Isolierschicht ab. Nicht alle Beschichtungen reagieren auf alle Schmierstoffe gleich. Organische Beschichtungen können in bestimmten Produkten auf Erdölbasis erweichen oder sich auflösen. Anorganische Beschichtungen (auf Phosphat- oder Oxidbasis) sind im Allgemeinen chemisch widerstandsfähiger, können aber mechanisch beschädigt werden, wenn der Schmierfilm nicht dick genug ist, um die Stanzkräfte abzufedern. Informieren Sie sich über die Kompatibilität, bevor Sie sich für einen Produktionsschmierstoff entscheiden.

Überwachen Sie die Schichtdicke, nicht nur die Auftragsmenge. Wenn Sie wissen, wie viele Milliliter pro Minute Ihre Walze aufträgt, wissen Sie, was das System tut. Wenn Sie wissen, was tatsächlich auf dem Band ist, wissen Sie, was das Teil erlebt. Das sind unterschiedliche Zahlen, und sie driften mit der Zeit auseinander.

Verfolgen Sie den Grattrend und setzen Sie ihn mit Änderungen der Schmierung in Beziehung. Die Grathöhe reagiert gleichzeitig auf das Spiel, die Geschwindigkeit und den Zustand des Schmierfilms. Wenn sich die Grathöhe ändert und sich sonst nichts bewegt, ist der Schmierstoff in der Regel ein Teil der Ursache.

Lassen Sie die Reinigungsvalidierung nicht aus. Wenn Ihr Prozess einen Reinigungsschritt umfasst, sollten Sie überprüfen, ob er tatsächlich funktioniert. Nicht nur einmal bei der Inbetriebnahme, sondern regelmäßig während der Produktion. Rückstandsprüfungen auf Laminatoberflächen - selbst so etwas Einfaches wie ein Wasserbruchtest oder eine Kontaktwinkelmessung - erkennen Ablagerungen, bevor sie zu einem Problem für die Stapelleistung werden.

Halten Sie die Diskussion über das Stanzschmiermittel mit der Diskussion über den Stapel in Verbindung. Dies sind keine separaten technischen Probleme. Eine Entscheidung, die an der Presse getroffen wird, wirkt sich auf die Vorgänge beim Stapeln, Kleben, Schweißen, Glühen und der Endmontage aus. Wenn man die Schmierung wie eine Insel behandelt, haben die Teams am Ende eine hohe Lebensdauer der Werkzeuge und schlechte Motoren.

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