Wissen zur Herstellung von Zugproben aus Blechen
Zugprobe ISO6892 ASTM JIS GOST u. a.
Warum muss der Herstellung von Zugproben besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden?
Zugversuchs-Ergebnisse sind nur so zuverlässig wie die Qualität der Zugprobe dies ermöglicht!
Wird die Probe unsachgemäß hergestellt, führt dies zu falschen Ergebnissen, die in der Regel unbemerkt bleiben. Wenn sich die wahren Materialeigenschaften erst bei der Weiterverarbeitung oder beim Kunden zeigen, kann der Schaden erheblich sein und zu einem nachhaltigen Imageverlust führen. Die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse hängt in erster Linie von der Qualität der Zugprobe ab. Auch die beste Zugprüfmaschine kann probenbedingte Fehler in den Ergebnissen nicht kompensieren.
Die meisten Blechbearbeitungsverfahren sind für eine normgerechte Herstellung ungeeignet. Weiter unten werden diese (ungeeigneten) Bearbeitungsverfahren mit ihren Vor- und Nachteilen behandelt. Es sei vorweggenommen, dass es eigentlich nur zwei oder drei geeignete Verfahren gibt, um Flachzugproben aus Blechen qualitativ hochwertig und wirtschaftlich herzustellen.
- Stanzen + Schleifen - Know How seit 1970
Neues Patent 2023: Vollautomatische PSM2000-A - Fräsen, im Paket Schruppen + Schlichten
Bleche Presshärtung sind NICHT fräsbar! - Laser-Schnitt, aber Schmelzkanten
müssen durch Schleifen / Fräsen entfernt werden
Know How zu Zugproben Stanzen + Schleifen
... Es geht NICHT darum, ein Loch in ein Blech zu stanzen! Was nützt ein Lieferant, der keine Materialprüfung beherrscht? Stanzen + Stanzwerkzeuge bauen können viele. Aber wer garantiert, dass die Stanzwerkzeuge einen für die Werkstoffprüfung optimierten Schnittspalt haben, damit die Werkstoffkennwerte nicht durch die Probenherstellung verfälscht werden? Die Hersteller von Stanzwerkzeugen optimieren diese für geringe Stanzgrate (Feinstanzen). Dies ist jedoch NICHT das wesentliche Qualitätsmerkmal: Durch die Schädigung/Verformung der Stanzkante kommt es zur Materialverdichtung/Verfestigung durch Kaltumformung, der sogenannten „Kaltverfestigung“. Diese überhöht die Ergebnisse für Rp0,2 und reduziert die Dehnung extrem!
Beratung seit 1970: Rationelle Probenvorbereitung
Bei uns erwartet Sie Wissen zu
- Normgerechten Probenabmessungen mit optimiertem Stanzaufmaß für die Endbearbeitung
(Tatsächlich lieferte ein Werkzeugbauer Stanzwerkzeuge für eine Probenbreite von b20 mm (Nennmaß): Der Anwender prüft nicht normgerecht, da die Proben nach Entfernen der Kaltverfestigung b<19 mm wären). - der Mindestlänge für hydraulische Spannzeuge
- Schnittspaltoptimierung VA-Stähle + Tiefziehgüten
- Option: Probenentnahme längs, quer, diagonal z. Walzrichtung
- Entnahme >100 mm zur Walzkante
- Finishing: Einzigartige Schleifmaschine PSM2000-A ((Patent in 2023 beantragt)
Auszug aus der ISO 6892-1 - B.4 Probenherstellung
„Die Proben müssen so hergestellt werden, dass die Werkstoffeigenschaften nicht beeinflusst werden. Alle Bereiche, die bei der Probenherstellung durch Schneiden oder Stanzen kaltverfestigt worden sind, müssen — wenn sie die Eigenschaften beeinflussen — abgearbeitet werden. Diese Proben werden überwiegend aus Blechen und Bändern gefertigt. Wenn möglich, sollten die Walzoberflächen nicht abgearbeitet werden.
Die Herstellung dieser Proben durch Stanzen kann zu signifikanten Änderungen in den Werkstoff-Eigenschaften, besonders der Streck-/Dehn-Grenzen führen (bedingt durch die Verfestigung). Werkstoffe, die stark verfestigen, sollten grundsätzlich durch Fräsen, Schleifen usw. endbearbeitet werden.
Hinweis: Bei Werkstoffen, die an den Kanten durch die Scherung stark verdichtet werden (weiche Güten) und bei zähen Materialien (nichtrostende Stähle), die hohe Zähigkeit / Dehnung / Tiefzieheigenschaften aufweisen ist die Kaltverfestigung / Kantenumformung nochmals ausgeprägter. Zudem treten bei der Verdichtung Mikrorisse auf die den vorzeitigen Bruch imitieren.
Müssen gestanzte Zugproben geschliffen werden?
So oder ähnlich werden wir von interessierten Kunden gefragt, wenn wir den Sinn und Zweck der Zugprobenschleifmaschine PSM2000 erklären sollen. Es besteht kein Zweifel daran, dass eine Stanzkantenschädigung (siehe Fotos der Gefügeveränderungen an den Bildrändern) beseitigt werden muss. Dies gebietet die Forderung nach zuverlässigen Ergebnissen und ist letztlich auch in den einschlägigen Normen (ISO 6892-1) verbindlich vorgeschrieben. Vergleicht man die beiden Bilder, so wird deutlich, dass bei nur gestanzten Proben eine falsche Schädigungsgrenze (Streckgrenze / Dehngrenze) und eine "falsche" (deutlich geringe) Bruchdehnung erzielt wird. Ungeschliffene Proben weisen eine bis zu 1/2 geringere Dehnung auf.
Wichtig: Lesen Sie warum die meisten Herstellungsverfahren ungeeignet sind
- Einige Kunden folgten nicht unserer Empfehlung. Diese schneiden Zugproben mit Wasserstrahl, Plasmabrenner, Drahterodieren etc. - was sich im Nachhinein als großer Fehler erweist.
Die Herstellung von Zugproben durch Stanzen und Schleifen hat sich hundertfach bewährt und ist die einzige adäquate Methode, um eine qualitativ hochwertige Zugprobe in weniger als 3 Minuten herzustellen. Unsere Anlagen werden in der Blechverarbeitung (Längs-/Querteilanlagen), in Walzwerken, Bandverzinkung und Stahl-Service-Betrieben zur rationellen Herstellung von Zugproben in unübertroffener Qualität eingesetzt.
Für die Probenvorbereitung empfehlen wir, die Zugprobe zunächst auf einem für diese Aufgabe optimierten Werkzeug (Zugprobenherstellung) zu stanzen . Von der Blechtafel zum Rohling dauert dies nur ca. 10 Sekunden, einschließlich des Einlegens und Entnehmens der Zugprobe und der Probentafel. Danach wird der Rohling bzw. ein Probenstapel in den Probenhalter der Probenschleifmaschine eingelegt und innerhalb von ca. 120 Sekunden so geschliffen, dass er direkt danach - ohne weitere Bearbeitung - für die Prüfung verwendet werden kann. In einer Qualität, die unübertroffen und "unverzichtbar" ist, wenn es um die Bestimmung der R+N-Werte geht.
Es gibt aber auch Grenzen des Systems - Bleche >12 mm können nicht gestanzt werden:
Typischerweise werden heute Zugproben aus Blechen <10 mm durch Stanzen hergestellt. Durch die Weiterentwicklung unserer Stanzen und der Zugprobenschleifmaschine PSM2000 können nun auch Bleche bis 12 mm gestanzt und geschliffen werden. Die Grenzen liegen bei einem Verhältnis von 1,5 : 1 (Breite : Dicke) der Bleche. Durch den Einsatz spezieller Schleifbänder ist eine Schädigung der Probe durch Erhitzung über 120°C ausgeschlossen - zahlreiche Versuche belegen dies. Es wurden mehrfach Messungen durchgeführt, bei denen nie eine Temperatur von 50 - 60 °C überschritten wurde. Eine aktive Kühlung des Schleifvorganges ist bei Zugproben aus Stahl nicht erforderlich und auch nicht sinnvoll. Neu in 2023: Patentgeschützte Zugprobenschleifmaschine PSM2000
Anders sieht es bei Aluminium und anderen NE-Metalle sowie Sonderstählen wie z.B. Bake Hardening Stählen aus. Für diese Produkte haben wir 2022/2023 eine patentierte Variante der Probenschleifmaschine entwickelt. Diese kühlt die Proben auf unter 45 Grad und arbeitet vollautomatisch. Gerade vor dem Hintergrund, dass es immer schwieriger wird, qualifizierte Mitarbeiter für das Unternehmen zu gewinnen, ist die Automatisierung noch wichtiger geworden, um den Personaleinsatz auf ein Minimum zu reduzieren.
Auch wenn Sie die Proben nicht schleifen sondern fräsen möchten, Stanzen macht Sinn:
Für das Fräsen muss zunächst mit einer Schlagschere ein Rechteck hergestellt werden. Besser ist es, eine Zugprobe mit entsprechendem Aufmaß "endformnah" zu stanzen und dann im Stapel zu fräsen. Dies reduziert den Handlingsaufwand (Schlagschere entfällt) und die Fräsdauer erheblich.
Sofern Sie mehrere Zugprobenformen (ISO / ASTM / JIS) herstellen müssen, ist es sinnvoll, einen Rohling in "Knochenform" zu stanzen, aus dem alle verschiedenen Zugproben gefräst werden können - gerne empfehlen wir Ihnen die für Ihre Anforderungen günstigste Grobform.
Es kommt zu den Gerätekombinationen:
- Stanzen, Stanzwerkzeuge + Probenschleifmaschine < 20 - 500 Proben / Tag)
- Stanzen + CNC-Fräse >400 Proben/Tag o. verschiedene Probenformen
Exzenterpressen / Hydraulikstanzen
Bei der Herstellung von Flachproben aus Blechen bis zu einer Dicke von ca. 12 mm ist das Stanzen heute fast Standard. Und hier taucht die erste Unsicherheit auf: Alle nationalen + internationalen Normen (u.a. ISO 6892-1) schreiben die Nachbearbeitung der Stanzkante vor.
Die Norm sagt aber nicht, wie weit die Kaltverfestigung in den Werkstoff hineinreicht. In der Praxis rechnet man bei Exzenterpressen (die prinzipiell eine hohe, schlagartige Stanzgeschwindigkeit aufweisen) mit einer kaltverfestigten Randzone von bis zu 35% je Seite (35% der Blechdicke). Bei Exzenterstanzen müsste daher mit einem Stanzaufmaß von 4 mm je Seite gearbeitet werden, um die Kaltverfestigung zu entfernen. Dies kann wirtschaftlich nur durch Fräsen erreicht werden.
Anders verhält es sich bei langsam schneidenden, hydraulischen Stanzen / Pressen. Durch die geringe Schnittgeschwindigkeit dringt die Kaltverfestigung (bei blechdicken-optimiertem Schnittspalt) nur bis maximal 10 % der Blechdicke pro Seite ein. Zahlreiche Gefügeuntersuchungen belegen dies. So wird bei 12 mm dicken Blechen mit einem Aufmaß von nur 1,2 mm je Seite in der Messlänge gestanzt. Die nun 22,4 mm breite Probe kann problemlos mit der hier beschriebenen Probenschleifmaschine PSM2000 (Empfehlung: vollautomatische PSM2000-A) endbearbeitet werden.
Probenstanzen, Stanzwerkzeuge + Probenschleifmaschine
Vorteile Stanz- + Schleiftechnik
- schnelle Probenherstellung (Einzel-Proben <3 Minuten)
- günstige Herstellung hohe Anzahl <800 pro Bediener / Schicht
(mit vollautomatischer Probenschleifmaschine PSM2000-A) - höchster Güte da Bearbeitung im Längsschliff (PSM2000)
- immer deutlich höhere Dehnung (gegenüber anderen Verfahren)
- Die Ergebnisse von ReH / ReL und Rp0,2 sind garantiert richtig
- Geringe Betriebskosten
- Wartungsfreie Maschinen: Ölwechsel 5 Jahre / Schärfen Werkzeuge >20.000 - 100.000 Proben
Nachbearbeitung der Schleifmaschine alle 10 Jahre - Automatisierbar (Roboter-Anlage: Von der Blechtafel zur gestanzten, etikettierten Zugprobe)
- Für die Bedienung der Anlage ist KEIN Fachpersonal erforderlich, auch angelernte Kräfte können 1A Zugproben fertigen
Nachteil Stanzen + Schleifen
- Bei nur wenigen Proben am Tag / Woche unwirtschaftlich --> lassen Sie die Proben fräsen
- keine Fertigung ohne Personal
- Automatisierung kostenintensiv
CNC-gesteuerte Fräse
bei <20 Proben/Woche ist fräsen (durch ein Unternehmen in der Nachbarschaft) die bessere Wahl
Vorteil CNC-Fräsen
- Flexible Nutzung auch für unterschiedliche Probenformen
- Nutzung dieser Werkzeugmaschine auch für andere Aufgaben
- bei hohem Probenaufkommen "rechnet" sich die "mannlose" automatische Bearbeitung (Probenstapel)
Nachteil CNC-Fräsen
- Hohe Investitionskosten
- lange Herstellungsdauer (Wartezeit bei eiligen Prüfungen)
- Es entstehen Betriebs- und Wartungskosten
- Verschleiß von Fräsern...
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist
Konventionelles Fräsen mit Handsteuerung
Handsteuerung ist personalaufwendig und ist nur so reproduzierbar wie die Bediener-Fähigkeiten
Vorteil konventionelles Fräsen
- Geringe Investitionskosten. u.a. kann gebrauchte Ausstattung angeschafft werden kann
Nachteil konventionelles Fräsen
- der Vorteile der günstigen Anschaffung wird durch die Personalkosten schnell aufgebraucht
- Lange Herstellungsdauer (Wartezeit bei eiligen Prüfungen)
- Präzise Proben können nur mit erhöhtem Aufwand hergestellt werden
- es entstehen Betriebs- und Wartungskosten, Verschleiß von Fräsern...;
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist
Drahterodieren von Zugproben
ungeeignet sofern die bearbeitete Kante nicht nachbearbeitet wird
Vorteil Drahterodieren
- Es können auch extrem harte Bleche geschnitten werden
- Drahterodiermaschinen arbeiten nach der Beladung vollautomatisch
- Es können Stapel von Proben bearbeitet werden
Nachteil Drahterodieren
- Extrem hohe Anschaffungskosten
- Extrem langsame Bearbeitungszeit
- Kantenrauheit ist nicht normkonform
- Extrem teures Verbrauchsmaterial - Schneiddraht kostet schnell >10.000 / 50.000 € und mehr
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeitschwer zu finden ist
Hochdruck-Wasserstrahlschneiden
Water-Jet-Cutting ist ungeeignet zur Herstellung von Zugproben: langsam, teuer, raue Flanke, teurer Service
Vorteile Wasserstrahl-Schneiden
- Sehr universell, schneidet alle Materialien
- Verarbeitung aller Bleche, auch hohe Festigkeiten, die schlecht stanzbar sind (Festigkeit > 1.600 MPa
- Verarbeitung von Blechen über 12 mm Dicke
- Bei entsprechender Bedienung / Programmierung hohe Flankengüte der Probe
Nachteile Wasserstrahl-Schneiden
- Teilweise extrem lange Bearbeitungszeiten (Wartezeit bei eiligen Prüfungen)
Kundenerfahrung (Fehler in der Anschaffung):
Es können nur ca. 4 (vier!) Proben / Tag hergestellt werden um eine normkonforme Flankengüte zu erzielen! - Für die Bedienung der Anlage ist qualifiziertes Fachpersonal erforderlich
(das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist) - Es entstehen hohe Betriebs- und Wartungskosten
- Neben dem Wasser wird abrasives Granulat benötigt - aufwendige, kostenintensive Entsorgung
- Die Proben sind (sofern keine Rostschutzemulsion versendet wird) bereits am Folgetag verrostet
- Die Trennung erfolgt quer zu Zugrichtung - die Oberflächen-Rauheit der Schnittfläche muss durch Nachbearbeitung verbessert werde (schleifen) für Rauhigkeit von <6,3µ Rz
- Teuere Anschaffung da mehr als 3 Bewegungsachsen erforderlich sind (Schrägstellung des Schneidstrahls zur Vermeidung der Konizität der Probe
- Für unterschiedliche Blechdicken müssen unterschiedliche Programme angelegt / gewählt werden damit die der Konizitäts-Ausgleich nicht zu undefinierten Probenbreiten führt (Probebreite z. B. b = 20mm)
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonalerforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist
Laserstrahl-Schneiden von Zugproben
geeignet, wenn die Kanten durch Schleifen / Fräsen nachbearbeitet werden, sehr gut geeignet für harte Bleche, sehr flexible Probenformen möglich
In Stahl-/Blechwerken, in denen neben Zugproben auch andere Proben hergestellt werden müssen, ist eine Anlage zum Laserschneiden der Bleche wahrscheinlich die sinnvollste (mehrstufige) Fertigungsart.
Häufig benötigte Probenformen
- Zugproben nach ISO 6892 (20 x 80)
- Zugproben andere Probenformen gem. ISO 6892 (12,5 x 50), JIS, ASTM, GOST
- Ronden zur Messung der Zinkschichtdicke
- Vierecke für Rauheitsmessungen
- Rechteckproben für die Biegesteifigkeit
- Platten als Rückstellproben
- Hinweis: Zugproben müssen durch Fräsen oder Schleifen endbearbeitet werden!
Vorteile Laser-Schneiden
- universell, schneidet alle Metalle
- Verarbeitung harter Bleche mit hoher Festigkeit > 1.600 MPa möglich
- Verarbeitung von Blechen über 12 mm Dicke
- im Bereich Automotive ist of eine Laser-Schneidanlage zur Besäumung von Pressteilen oft bereits vorhanden
(Nutzung auch für Zugproben)
Nachteile Laser-Schneiden
- Zur Herstellung von Zugproben nur geeignet für Bleche < 6,0 mm (die Wärmeeinflusszone ist auf ca. 0,6 mm Tiefe begrenzt und kann mit der Probenschleifmaschine PSM 2000 einfach entfernt werden - die Kombination von Laserschneiden und Probenschleifmaschine wird sehr häufig genutzt.
Presshärten im Besonderen: Wer einmal versucht hat Maganstahl zu fräsen wird daran "verzweifeln" - die Zähigkeit zerstört jeden Fräser. Somit bleibt nur Laser-Schneiden und Schleifen - Sehr hohe Investitionskosten
- Etwas längere Bearbeitungszeiten (Wartezeit bei eiligen Prüfungen)
- Die Bedienung der Anlage erfordert qualifiziertes Fachpersonal
- Es entstehen hohe Betriebs- und Wartungskosten
- Die Probe muss nach der Herstellung nachbearbeitet auf jeden falls nachgearbeitet werden da durch die thermische Bearbeitung mit dem Laser eine hitzegeschädigte Wärmezone entsteht die die Ergebnisse extrem verfälschen (doppelte Bearbeitung)
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist
Plasma-Schneiden von Zugproben
extrem ungeeignet da der enorme Wärmeeintrag das Gefüge verändert, die Kanten müssen extrem aufwendig nachbearbeitet werden
Das Schneiden von Blechen mit Plasma erzeugt eine extreme Hitze. Die Probe wird an den Rändern sogar glühend, der Wärmeeintrag reicht seitlich sehr tief in das Material hinein. Der Wärmeeintrag verändert die Materialeingenschaften extrem. Alle Bereiche die höher als 120 Grad erhitzt wurden müssen durch Fräsen oder Schleifen entfernt werden. Diese Art der Blechbearbeitung ist extrem unwirtschaftlich da eine extreme Nachbearbeitung erforderlich ist.
Vorteile Plasma-Schneiden
- universell, schneidet alle Metalle
- Verarbeitung harter Bleche mit hoher Festigkeit > 1.800 MPa möglich
- Verarbeitung von Blechen über 12 mm Dicke
Nachteile Plasma-Schneiden
- Hohe Investitionskosten (falls allein für die Probenvorbereitung angeschafft werden soll)
- die Kantenrauigkeit ist (unbearbeitet) weit von der geforderten Rauhigkeit 6,3 Rz entfernt!
- Es entstehen hohe Betriebs- und Wartungskosten
- die Probe muss nach der Herstellung auf jeden Fall nachgearbeitet werden da durch die thermische Bearbeitung mit dem Plasma-Brenner eine hitzegeschädigte Wärmezone entsteht die die Ergebnisse extrem verfälschen (doppelte Bearbeitung)
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist
Nibbelmaschine für die Fertigung von Zugproben
"vollkommen" ungeeignet da die Bleche flattern, die Kanten immer nachbearbeitet werden müssen
Eine Nibbel-Maschine stellt aus unserer Sicht die schlechteste und völlig ungeeignete Methode zur Herstellung von Zugproben dar. Die Nibbel- / Stanzkante muss stark nachbearbeitet werden, da es (wie beim Stanzen) zu einer Kaltumformung (Kaltverfestigung) kommt. Ohne Nachbearbeitung werden die Ergebnisse ReH/ Rp0,2 stark verfälscht (überhöht) und die Bruchdehnung stark reduziert. Die durch Nibbeln nur geschnittene Kante ist in keinem Fall normgerecht. Zudem ist die Schnittkante in der Regel nicht linear und erfordert in jedem Fall eine Nachbearbeitung (Schleifen oder Fräsen).
Vorteil Nibbel-Maschine
* Hohe Arbeitsgeschwindigkeit
(die aber durch die hohe Stanzgeschwindigkeit eine 3-fach größere Kaltverfestigungszone erzeugt - siehe Exzenterstanzen)
Nachteil Nibbel-Maschine
- Hohe Investitionskosten
- Die Kanten müssen wie beim Stanzen nachgearbeitet werden
- Es kommt (in Abhängigkeit zu den ständig wechselnden Blechdicken) zum Flattern des Bleches (für unterschiedliche Blechdicken ungeeignet)
- Für die Bedienung der Anlage ist Fachpersonal erforderlich das in der heutigen Zeit schwer zu finden ist