Praxis der Umformtechnik

Die Fertigungsverfahren werden nach DIN 8580 in sechs Hauptgruppen unterteilt. Von diesen sechs Hauptgruppen werden in diesem Buch die Umformverfahren (Bild 1.2) und die Trennverfahren (Bild 1.3) besprochen. Umformen ist nach DIN 8580 ein Fertigen durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers. Dabei werden sowohl die Masse als auch der Werkstoffzusammenhang beibehalten. Die Verfahrenshauptgruppe Trennen, die durch örtliches Aufheben des Stoffzusammenhaltes gekennzeichnet ist, beinhaltet auch die Gruppe 3.1, das Zerteilen. Hierbei kommt es zum Vermindern des Stoffzusammenhaltes durch spanloses mechanisches Trennen. In der Praxis kommt dem Scherschneiden (Untergruppe 3.1.1) die größere Bedeutung zu und wird deshalb in diesem Buch behandelt.

Im Gegensatz zur elastischen Verformung, bei der z. B. ein auf Zug beanspruchter Stab in seine Ursprungslänge zurückgeht, wenn ein bestimmter Grenzwert (Dehngrenze des Werkstoffes R_p0,2-Grenze) nicht überschritten wird, nimmt das plastisch verformte Werkstück die Form bleibend an. Die charakteristischen Kennwerte der elastischen und plastischen Verformung, wie Dehnung, Fließspannung, Fließschubspannung, Formänderungsgeschwindigkeit und die Unterschiede bei Kalt- und Warmumformung werden vorgestellt. Das Formänderungsvermögen, d.h. die Fähigkeit eines Werkstoffes sich umformen zu lassen wird in Abhängigkeit von den wesentlichen Einflussgrößen dargestellt und der aktuelle Stand der experimentellen Ermittlung des Formänderungsvermögens unter Einsatz des modernen Messsystems AutoGrid® wird ausführlich an Beispielen erläutert.

Ein grundlegender Einfluss auf das Gelingen eines Umformprozesses kommt den Verhältnissen in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück zu. Würde man die Rohlinge (Draht- oder Stangenabschnitte) nur einfach in das Presswerkzeug einführen und dann pressen, wäre das Werkzeug nach wenigen Stücken nicht mehr zu gebrauchen. Durch eine entstehende Kaltverschweißung zwischen Werkstück und Werkzeug käme es im Werkzeug zum Fressen. Dadurch würden am Werkzeug Grate entstehen, die unbrauchbare Pressteile zur Folge hätten. Deshalb müssen die Rohlinge vor dem Pressen sorgfältig vorbereitet werden. Zu dieser Vorbereitung, die man zusammenfassend als »Oberflächenbehandlung« bezeichnet, gehören – Beizen, Phosphatieren, Schmieren. Die Oberflächenbehandlung unterscheidet sich in Abhängigkeit von den Umformtemperaturen, den verwendeten Verfahren und hauptsächlich auch nach den eingesetzten Werkstoffen und wird in dieser Zuordnung auch behandelt.

Stauchen ist ein Massivumformverfahren, bei dem die Druckwirkung in der Längsachse des Werkstückes liegt. Das Verfahren Stauchen wird sehr häufig als Kaltstauchen für die Herstellung von Schrauben, Nieten, Kopfbolzen und ähnlichen Werkstücken eingesetzt. Die Auslegung solcher Stauchvorgänge hinsichtlich der Verfahrensdurchführung, der zulässigen Formänderungen, der Stauchverhältnisse, der Stauchkraft und – arbeit, der erreichbaren Genauigkeit der Werkstücke, des Aufbaus der Stauchwerkzeuge werden erläutert und durch Berechnungsbeispiele und Testfragen untersetzt.

Fließpressen ist ein Massivumformverfahren, das nach DIN 8583 zur Untergruppe Durchdrücken gehört. Der Werkstoff wird unter hohem Druck durch die formgebende Werkzeugöffnung gedrückt. Eine Einteilung der Fließpressverfahren erfolgt sowohl nach der Richtung des Werkstoffflusses relativ zur Stempelbewegung als auch nach den verwendeten Umformtemperaturen:-Vorwärts-Fließpressen-Rückwärts-Fließpressen-Quer-FließpressenDie Verfahren des Fließpressens werden in der Industrie sowohl für die Herstellung von Massiv- als auch von Hohlteilen eingesetzt. Die Auslegung solcher Fließpressvorgänge hinsichtlich der Verfahrensdurchführung, der zulässigen Formänderungen, der Fließpresskraft und – arbeit, der erreichbaren Genauigkeit der Werkstücke, der Aufbau der Fließpresswerkzeuge einschließlich einer Armierungsberechnung werden erläutert. Berechnungsbeispiele, eine Formenordnung und Testfragen runden das Kapitel ab.

Gewindewalzen ist ein Kalt-Massivumformverfahren, mit dem Gewinde aller Art, Kordel und Schrägverzahnungen hergestellt werden.Neben Gewinden können auch Verzahnungen mit Kaltwalzverfahren hergestellt werden, die durch die verfahrenstechnischen Vorteile wie hohe realisierbare Oberflächengüten, Festigkeitszunahme durch Kaltverfestigung, hohe Belastbarkeit durch angepassten Faserverlauf, kurze Prozesszeiten und hohe Reproduzierbarkeit, geringe Umformkräfte durch partielle Umformung und gute Materialausnutzung gegenüber den spanenden Verfahren zunehmend angewendet werden.Das Ringwalzen als Sonderfall des Längswalzens wird sowohl als Warmwalz- als auch Kaltwalzverfahren mit den besonderen Vorteilen gegenüber einer spanenden Bearbeitung an einigen Beispielen eindrucksvoll dargestellt.

Kalteinsenken ist ein Kalt-Massivumformverfahren, bei dem ein gehärteter Stempel mit geringer Geschwindigkeit (kleiner als beim Fließpressen) in ein zu formendes Werkstück eindringt. Die Vorteile des Kalteinsenkens im Vergleich zu den spanabhebenden Verfahren ist vor allem durch den nicht unterbrochenen Faserverlauf, die gute Oberflächenqualität, die hohe Maßgenauigkeit der eingesenkten Kontur, die höheren Standzeiten der eingesenkten Werkzeuge und durch die wesentlich kürzeren Fertigungszeiten charakterisiert.

Massivprägen ist ein Kaltumformverfahren mit dem bei geringer Werkstoffwanderung bestimmte Oberflächenformen erzeugt werden. Das Massivprägen ist für die Herstellung von Münzen und Medaillen, aber auch für das Kalibrieren oder Maßprägen, sowie für das Glattprägen in der Industrie weitverbreitet.

Abstreckziehen ist ein Massivumformverfahren, bei dem die Umformkraft (Zugkraft) von der umgeformten Napfwand aufgenommen werden muss. Übersteigt die Spannung in der umgeformten Napfwand die Zugfestigkeit des Napfwerkstoffes, dann reißt der Boden ab.Das Verfahren kommt zur Herstellung von Hohlkörpern mit und ohne Flansch, bei denen die Bodendicke in der Regele größer als die Wanddicke ist, zum Einsatz. Bei der Massenfertigung von Getränkedosen ermöglicht dieses Verfahren eine sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeit, die über 1000 Dosen/min betragen kann.

Drahtziehen ist ein Gleitziehen), bei dem ein Draht größerer Abmessung (d₀) durch einen Ziehring mit kleinerer Abmessung (d₁) gezogen wird. Dabei erhält der Draht die Form und die Querschnittsmaße des Ziehringes. Das Drahtziehen gehört nach DIN 8584 zu den Fertigungsverfahren mit Zugdruckumformung, weil sich in der Verformungszone ein Spannungszustand, der sich aus Zug- und Druckumformung zusammensetzt, ergibt.Die Behandlung des Verfahrens Drahtziehens in diesem Kapitel enthält neben den technologischen Parametern für die Durchführung auch die Kraftberechnung und die Auslegung der Werkzeuge. Ein Berechnungsbeispiel und Testfragen runden das Kapitel ab.

Das Rohrziehen ist ein Gleitziehen von Hohlkörpern (Hohlgleitziehen – DIN 8584), bei dem die Formgebung außen durch ein Ziehhol und innen durch einen Stopfen oder eine Stange erzeugt wird. Es werden die Varianten des Rohrziehens vorgestellt, die Berechnung der Hauptformänderung und der Ziehkraft und Ziehwerkzeuge erläutert. Ein Berechnungsbeispiel und Testfragen schließen das Kapitel ab.

Strangpressen ist ein Massivumformverfahren, bei dem ein erwärmter Block, der von einem Aufnehmer (Rezipienten) umschlossen ist, mittels Pressstempel durch eine Formmatrize gedrückt wird. Dabei nimmt der austretende Strang die Form der Matrize an. Strangpressen ist ein Druckumformverfahren und gehört nach DIN 8583 zur Untergruppe Durchdrücken. Die eigentliche Umformung vom Pressblock zum Pressstrang erfolgt in der trichterförmigen Umformzone vor der Matrize.Es werden die Varianten des Strangpressens in ihren Besonderheiten und Unterschieden diskutiert, die Berechnung der benötigten technologischen Parameter erläutert, die Werkzeuge und Maschinen vorgestellt und durch ein Berechnungsbeispiel und Testfragen wird das Kapitel abgeschlossen.

Gesenkschmieden ist ein Warm-Massivumformverfahren. Nach DIN 8583 gehört es zu den Druckumformverfahren mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen, wobei der Werkstoff in eine bestimmte Richtung gedrängt wird und die Form der im Gesenk vorhandenen Gravuren annimmt.Neben der umfassenden Darstellung des Gesenkschmiedens, einschließlich Kraft- und Arbeitsberechnung, Auslegung der Werkzeuge und Gestaltung der Schmiedeteile, enthält dieses Kapitel ergänzend auch das Quer- und Reckwalzen und das Axialvorschub-Querwalzen (AVQ) zur flexiblen Bauteilerzeugung.

Tiefziehen ist ein Umformen von ebenen Zuschnitten (aus Blech) zu Hohlkörpern. Nach DIN 8584-1 kann auch ein durch Tiefziehen im Erstzug gefertigter Hohlkörper im sogenannten Weiterschlag zu einem Hohlkörper mit kleinerem Durchmesser umgeformt werden. In beiden Fällen ist eine Wanddickenänderung nicht beabsichtigt. Tiefziehen gehört zu den Verfahren mit Zugdruckumformung. Die Umformung erfolgt unter Verwendung von: Ziehring, Ziehstempel und Niederhalter.In diesem Kapitel werden die technologischen Parameter des Tiefziehvorganges unter besonderer Berücksichtigung der Zuschnittsermittlung, der Berechnung der Ziehkraft und –arbeit und die Gestaltung der Ziehwerkzeuge dargelegt. Das Hydromechanische Tiefziehen, die Außen- und Innenhochdruckumformung sind wichtige Innovationen auf dem Gebiet der Blechumformung und wurden in dieses Kapitel aufgenommen. Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet des Tiefziehens, die Warmumformung hochfester Bleche wird ausführlich behandelt.

Beim Ziehen ohne Niederhalter vereinfacht sich der Werkzeugaufbau, weil der Niederhalter entfällt. Außerdem kann das Ziehen ohne Niederhalter auf jeder einfachwirkenden Presse ausgeführt werden. Drücken ist Zug-Druck-Umformen runder Blechzuschnitte (Ronden) oder Hohlkörper zu rotationssymmetrischen Hohlkörpern mit vielfältigen Formen der Mantellinie durch punktförmigen oder in Einzelfällen linienförmigen Angriff der Werkzeuge bei in der Regel rotierenden Werkstücken (DIN 8584, T4). Eine Blechdickenänderung ist nicht beabsichtigt.Die inkrementelle Blechumformung (IBU) verkörpert die aktuellste Innovation auf dem Gebiet der flexiblen Umformung von Blech. Diese Technologie gestattet die Fertigung von Prototypen oder Kleinserien aus Stahl, Edelstahl und Aluminium ohne Einsatz herkömmlicher Werkzeuge direkt aus einem 3D-CAD-Modell und erweitert die Möglichkeiten des Drückens auf nichtrotationssymmetrische Teile. Die schnelle Herstellung von räumlichen Blechteilen ausgehend von einem CAD-Modell unter Verwendung von 3-achsigen CNC-Fräsmaschinen ist besonders für die Herstellung von Unikaten, wie sie im Zuge der Individualisierung der Produkte erforderlich sind, von großem Interesse.

Biegen ist nach DIN 8586 ein Umformen von festen Körpern, mit dem aus Blechen oder Bändern abgewinkelte oder ringförmige Werkstücke erzeugt werden. Bei Biegen wird der plastische Zustand durch eine Biegebeanspruchung herbeigeführt.Neben der umfassenden Darstellung der Biegeverfahren, einschließlich Ermittlung der Zuschnittslänge, der Kraft- und arbeitsberechnung und Auslegung der Werkzeuge, enthält dieses Kapitel ergänzend auch die Biegemaschinen und durch ein Berechnungsbeispiel und Testfragen wird das Kapitel abgeschlossen.

Prägen ist ein Umformverfahren, bei dem unter Einwirken eines hohen Druckes an einem Werkstück die Oberfläche verändert wird. Je nachdem, wie die Umformung dabei erfolgt, unterscheidet man zwischen Hohlprägen und Massivprägen.Beim Hohlprägen bleibt die Werkstoffdicke des Ausgangsrohlings auch nach der Umformung erhalten. Einer Vertiefung auf der einen Seite liegt eine Erhöhung auf der anderen Seite des Werkstückes gegenüber (Bild 17.1).Neben der Darstellung des Verfahrens einschließlich, der Kraft- und arbeitsberechnung und Auslegung der Werkzeuge, enthält dieses Kapitel ein Berechnungsbeispiel und Testfragen.

Zerteilen ist nach DIN 8588 ein spanloses Trennen von Werkstoffen. Nach Art der Schneidenausbildung unterscheidet man zwischen dem Scherschneiden und dem Keilschneiden.Neben der Darstellung des Verfahrens einschließlich, der Kraft- und arbeitsberechnung, der Ermittlung des Schneidspaltes und Auslegung der Werkzeuge, enthält dieses Kapitel auch Maschinenbeispiele, ein Berechnungsbeispiel und Testfragen.

Feinschneiden ist ein Schneidverfahren, mit dem Werkstücke mit völlig glatter, abrissfreier Schnittfläche bei höchster Maßgenauigkeit erzeugt werden.Neben der umfassenden Darstellung des bedeutsamen Genauschneidverfahrens einschließlich, der Kraftberechnung und Auslegung der Werkzeuge, enthält dieses Kapitel auch die Feinschneidpressen und Testfragen.

Beim Fügen durch Umformen (auch mechanisches Fügen genannt) wird die zu fügende Struktur oder das Hilfsfügeteil im wesentlichen plastisch verformt (DIN 8593). Dagegen beschränkt sich beim Schrauben diese Verformung auf den Mikrobereich (z. B. Einebnung von Rauheit). Die Kräfte beim Umformfügen werden üblicherweise hydraulisch oder mechanisch durch Spindeltriebe aufgebracht. Die Verbindung ist im Allgemeinen durch Formschluss gegen ungewolltes Lösen gesichert. Es wird unterschieden in Fügen durch– Umformen drahtförmiger Körper (z. B. Flechten),– Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen (Bördeln, Falzen, Clinchen) und– Nietverfahren (z. B. Blindnieten, Stanznieten).Neben der umfassenden Darstellung des Fügens durch Umformen einschließlich, der Anwendung und der verwendeten Werkzeuge und Ausrüstungen, werden jeweils Entwicklungstendenzen und Testfragen angegeben.

Die Umformmaschinen unterteilt man nach ihren charakteristischen Kenngrößen in arbeits-, kraft- oder weggebundene Maschinen.

Nach der Ausführung des Antriebes unterteilt man die Hämmer in:FallhämmerOberdruckhämmerGegenschlaghämmer.Bei den Fallhämmern fällt der Bär durch freien Fall. Die Schlagenergie ergibt sich aus der Masse des Bären und der Fallhöhe. Als Huborgane zum Heben des Bären verwendet man Riemen, Ketten oder die Kolbenstange bei den hydraulischen Antrieben.Neben der Unterteilung der Hämmer werden der konstruktive Aufbau, der Einsatz der Hämmer im Schmiedebetrieb und ein Berechnungsbeispiel sowie Testfragen angegeben.

Spindelpressen sind mechanische Pressen, bei denen der Stößel durch eine Gewindespindel (meist 3-gängig) auf und ab bewegt wird. Sie zählen zu den arbeitgebundenen Maschinen, weil man an ihnen nur das Arbeitsvermögen unmittelbar einstellen kann. Das im Schwungrad gespeicherte Arbeitsvermögen ergibt sich aus der Abmessung und der Drehzahl des Schwungrades.Neben der Unterteilung der Spindelpressen werden der konstruktive Aufbau, der Einsatz der Spindelpressen im Betrieb, die Berechnung der Kenngrößen für Spindelpressen erläutert und ein Berechnungsbeispiel sowie Testfragen angegeben.

Exzenter- und Kurbelpressen sind weggebundene Pressmaschinen. Neben der Unterteilung der Exzenter- und Kurbelpressen wird der konstruktive Aufbau, der Einsatz, die Berechnung der Kenngrößen erläutert und ein Berechnungsbeispiel sowie Testfragen angegeben.

Kniehebelpressen sind eine Sonderart der Kurbelpressen, bei denen die Kraft von der Kurbel über ein Hebelsystem (Kniehebel) erzeugt wird. Im Prinzip gelten, sowohl für den konstruktiven Aufbau als auch von der Wirkungsweise her, die Gesetzmäßigkeiten der Kurbelpresse. Testfragen ergänzen das Kapitel.

Die Pressengestelle der hydraulischen Pressen sind meist als O- oder Torgestell in Stahl-Schweißkonstruktion ausgebildet. Bei kleineren Maschinen ist das Gestell aus einem Stück und bei großen Maschinen in 3-geteilter Ausführung. Die drei Hauptelemente Pressentisch, Seitenständer und Kopfstück werden durch Zuganker zusammengehalten. Testfragen ergänzen das Kapitel.

Sonderpressen sind für ganz bestimmte Anwendungsgebiete bzw. ganz bestimmte Arbeitsverfahren konzipiert.Vom Antrieb her können diese Maschinen sowohl hydraulische als auch Kurbelpressen sein. Solche Sonderpressen sind z. B.:– Stufenziehpressen für die Blechumformung– Mehrstufenpressen für die Massivumformung– Schmiedepressen für das Gesenkschmieden– Fließpressen für das Kalt- und Warm-Fließpressen– Stanzautomaten für die automatische Fertigung von Stanzteilen.Von den hier aufgeführten Spezialpressen sollen nachfolgend drei näher beschrieben werden. Testfragen ergänzen das Kapitel.

In der Blechumformung sind die komplexeren technologischen Anforderungen und die zunehmende Variantenvielfalt verbunden mit dem starken Wettbewerbsdruck die treibenden Kräfte der Weiterentwicklung der Maschinen- und Anlagentechnik. Aufgrund der Forderung nach einer höheren Produktivität bzw. der Reduzierung der Zykluszeit haben sich die Antriebsstrukturen klassischer weggebundener Umformmaschinen von einfachen Exzenter- und Kurbelantrieben über mehrgliedrige Gelenkantriebe bis hin zur Integration mechanischer Hubverstellungen entwickelt. Testfragen ergänzen das Kapitel.

Alle automatisch im Dauerhub arbeitenden Pressen benötigen auch automatisch arbeitende Werkstückzuführeinrichtungen. Bei einem Teil der Zuführvorrichtungen wird der Antrieb von der Presse abgeleitet. Andere haben eigene Antriebe. In jedem Fall aber werden sie von der Presse gesteuert. Die für den Umformprozess in der Regel unverzichtbare Aufbringung von Schmierstoffen erfolgt in der modernen Fertigung durch Beölungs- und Befettungsanlagen. Diese werden unterschieden nach den Auftragsarten vorgestellt und durch die Ermittlung von Reibwerten und Testfragen ergänzt.

Auch in der Umformtechnik geht der Trend zu vollautomatischen flexiblen Fertigungssystemen. Ihre Merkmale sind: – vollautomatische Beschickung der Maschinen, – vollautomatischer Werkzeugwechsel, – vollautomatische Steuerung und Überwachung des Produktionsablaufes.

Die Technischen Tabellen enthalten wichtige Kenngrößen für die Charakterisierung der Werkstoffe und Verfahren der Umformtechnik.

Gegenüberstellung von alter Werkstoffbezeichnung nach DIN zu neuer EURO-Norm (nur Veränderungen der Bezeichnungen)