Umformtechnik Skript Mauk

Prof. Mauk, IAM-2005

3.1 Grundlagen der Umformtechnik

1

3 Umformen Unter Umformen versteht man in der Fertigungstechnik die Bearbeitung insbesondere metallischer Werkstoffe mit wirkenden Kräften, um die äußere Gestalt des Werkstückes bleibend zu verändern, ohne den Werkstoffzusammenhang aufzulösen. Alle folgenden Betrachtungen sollen sich ausschließlich auf das Umformen metallischer Werkstoffe beziehen. Der überwiegende Teil aller technisch genutzten Metalle und ihre Legierungen werden zu irgendeinem Zeitpunkt in der Herstellungskette umformend bearbeitet. Daher hat die Umformtechnik im Rahmen der industriellen Fertigungstechnik einen hohen Stellenwert. Das Umformen hat eine bis ins Altertum zurückreichende handwerkliche Tradition, die z. T. noch heute in den Benennungen der Verfahren erkennbar ist. Gemäß DIN 8580 und DIN 8582 /15, 16/ werden die Umformverfahren nach der Art der Krafteinwirkung auf das Werkstück unterteilt. Umformen DIN 8582 Druckumformen DIN 8583-1

Zugdruckformen DIN 8584-1

Zugumformen DIN 8585-1

Biegeumformen DIN 8586-1

Schubumformen DIN 8587-1

Innerhalb der Umformverfahren haben die Druckumformverfahren sowie die Zugdruckumformverfahren die größte Anwendungsbreite und die bei weitem größte Erzeugungsmenge. 3.1

Grundlagen der Umformtechnik

Alle Metalle und ihre Legierungen haben die Fähigkeit, sich unter Einwirkung äußerer Kräfte bleibend in ihrer geometrischen Form zu verändern, ohne dass der Materialzusammenhang verloren geht oder sich die Werkstückmasse ändert. Dieser als Plastizität bezeichnete Effekt liegt im Aufbau der Metalle begründet. Den schematischen Aufbau eines polykristallinen, metallischen Werkstoffes zeigt Bild 3.1.1.

Bild 3.1.1: Aufbau eines polykristallinen metallischen Körpers, nach /1/



2

Innerhalb eines Korns besitzen Metalle eine kristalline Struktur aus identisch orientierten Elementarzellen. Jede Elementarzelle stellt die kleinste regelmäßige Anordnung der Metallatome im Kristallgitter dar. Das folgende Bild 3.1.2 zeigt die Elementarzellen technisch wichtiger Metalle.

Bild 3.1.2: Elementarzellen technisch wichtiger Metalle, nach /2/

Metalle besitzen zwar einen kristallinen Aufbau, ihre Kristallgitter sind aber nicht völlig störungsfrei aufgebaut. Linienhafte Gitterstörungen, Versetzungen genannt, durchziehen in großer Anzahl das metallische Gitter. Im Bild 3.1.3 sind schematisch Versetzungen in einer Struktur dargestellt.

Bild 3.1.3: Versetzungen in einem Gitter (schematisch) und Abgleiten von Versetzungen, nach /2/

Das Abgleiten dieser Versetzungen im Gitter führt zu einer bleibenden Formänderung, ohne dass die Kristallstruktur wesentlich verändert wird. Um den Zusammenhalt im Gitter nicht aufzuheben, erfolgt diese Versetzungsbewegung in möglichst kurzen Gleitschritten zur nächsten stabilen Atomposition im Gitter. Dies ist in den dichtest gepackten Ebenen im Kristallgitter der Fall. Diese dichtest gepackten Ebenen werden als Gleitebenen bezeichnet. Die bevorzugte Richtung für die Versetzungsbewegung innerhalb einer Gleitebene wird Gleitrichtung genannt. Die Kombination von Gleitebene und Gleitrichtung stellt das sogenannte Gleitsystem dar.



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Die Gleitsysteme der Elementarzellen in den Kristallstrukturen sind entscheidend für die Umformbarkeit eines Metalls. Im folgenden Bild 3.1.4 sind die Gleitsysteme wichtiger Metalle zusammengestellt.

Bild 3.1.4: Gleitsysteme wichtiger Metalle, nach /1/

Je mehr Gleitsysteme ein Metall besitzt, desto besser ist seine Umformbarkeit. Versetzungen sind im Kristallgitter außerordentlich zahlreich und werden durch Umformen laufend vermehrt. Mit steigender Formänderung behindern sich dicht benachbarte Versetzungen durch die sie umgebenden Spannungsfelder. Dies schränkt die Beweglichkeit der Versetzungen immer stärker ein. Makroskopisch wird dieser Effekt als Verfestigung wahrgenommen. Die inneren Spannungen durch diese Versetzungen können so groß werden, dass eine weitere Umformung nicht mehr möglich ist oder sogar ein Bruch der Kristallstruktur eintritt. Entgegengesetzt gerichtete Versetzungen können sich gegenseitig auslöschen, was zum Abbau der inneren Spannungen führt. Eine weitere Möglichkeit ist die Anordnung von Versetzungen zu sogenannten Kleinwinkelkorngrenzen, auch Polygonisation genannt, was ebenfalls eine Verringerung der inneren Spannungen herbeiführt. Dieser Vorgang ist im Bild 3.1.5 schematisch dargestellt. Er wird als Erholung bezeichnet.

Bild 3.1.5: Erholung eines umgeformten Metalls, a) Auslösung entgegengesetzter Versetzungen; b) Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen, Polygonisation, nach /3/

Bei erhöhten Temperaturen tritt diese Erholung verstärkt auf. Erholung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwar ein bestimmter Abbau der Verfestigung erfolgt, die umgeformte Gefügestruktur wird aber nicht verändert. Wird ein stark verfestigter Werkstoff auf höhere Temperaturen T > 0,45 . Ts



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(Schmelztemperatur) erwärmt, setzt eine völlige Gefügeneubildung ein, die als Rekristallisation bezeichnet wird. Schematisch zeigt Bild 3.1.6 den Ablauf der Rekristallisation

Bild 3.1.6: Gefügeänderung bei der Rekristallisation ; A) verformtes Gefüge mit Rekristallisationskeimen; B) primär rekristallisiertes Gefüge; C) sekundäre Rekristallisation; D) Kornvergrößerung, nach /1/

Erholung und Rekristallisation können auch während der Umformung ablaufen, insbesondere bei Warmumformung. Dies wird als dynamische Entfestigung (durch Erholung und Rekristallisation) bezeichnet. Für die Entstehung technischer Gefüge sind diese Vorgänge von entscheidender Bedeutung. Formänderungen Jeder metallische Werkstoff erfährt beim Umformen eine Kombination von elastischen und plastischen Formänderungen. In der Umformtechnik werden die elastischen Formänderungen aufgrund ihrer geringen Größe gegenüber den plastischen Formänderungen im allgemeinen vernachlässigt /24/. Eine wichtige Grundlage für Volumenkonstanzbedingung:

die

Berechnungen

in

der

Umformtechnik

ist

die

h0 ⋅ b0 ⋅ l0 = V0 = h1 ⋅ b1 ⋅ l1 = V1

V0, V1 : Volumen vor und nach der Umformung h0, b0, l0: Abmessungen vor der Umformung h1, b1, l1: Abmessungen nach der Umformung Aus der Division beider Gleichungsseiten erhält man: h1 h0

⋅

b1 b0

⋅

l1 l0

Dabei wird:

= 1

: Volumenkonstanz

h1 h0

= γ

l1 l0

=λ

Somit gilt auch:

als Stauchgrad,

b1 b0

=β

als Breitgrad

als Streckgrad bezeichnet. λ⋅β ⋅γ = 1

Wenn man die Volumenkonstanzgleichung logarithmiert, erhält man: ln γ + ln β + ln λ = ln1 = 0 oder in anderer Schreibweise:

ϕh+ϕb+ϕl = 0 mit

als Umformgrad in Höhenrichtung ϕb als Umformgrad in Breitenrichtung ϕl als Umformgrad in Längenrichtung In der Umformtechnik ist es auch üblich, Abmessungsänderungen auf die Ausgangsabmessungen zu beziehen. Man erhält die s.g. bezogenen Abmessungsänderungen: ∆h = ε bezogene Höhenänderung h h0 ϕh

∆b

= εb

bezogene Breitenänderung

∆l

= εl

bezogene Längenänderung

b0

l0


Dabei ist


5

die Längenänderung durch den Umformschritt.

∆l = l1 − l0

Fließspannung Aus dem einachsigen Zugversuch /23/ ist bekannt, dass plastisches Fließen eines metallischen Werkstoffes erst oberhalb einer bestimmten, für den Werkstoff charakteristischen Spannung, der Streckgrenze, auftritt. Mit fortschreitender Umformung steigt die erforderliche Spannung für weiteres plastisches Fließen durch Verfestigung an. Diese erforderliche Spannung, um plastisches Fließen im einachsigen Belastungsfall einzuleiten bzw. aufrecht zu erhalten, wird in der Umformtechnik als Fließspannung kf bezeichnet. Im einfachen Fall des einachsigen Zugversuches an Rundproben gilt im Bereich der Gleichmaßdehnung (vor der Einschnürung der Probe) für die Fließspannung kf: k f = FA((ll )) dabei ist F(l) die gemessene Zugkraft bei einer bestimmten Probenlänge l und A(l) die zugehörige Querschnittsfläche des Zugstabes /23/. Mit Hilfe der Volumenkonstanzbedingung kann aus der Probenlänge l die Querschnittsfläche bestimmt werden: A0 ⋅ l0 = A ⋅ l = V = const. A(l ) =

A0 ⋅ l0 l

l0 l

= A0 ⋅

daraus folgt für die Fließspannung kf: kf =

F (l ) ⋅ l A0 ⋅ l0

=

F (l ) A0

⋅

l l0

=

F (l ) A0

⎛ ⋅ ⎜⎜ ⎝

l0 + ∆l l0

⎞ ⎟⎟ = ⎠

F (l ) A0

⋅

(1 + ε ) l

Dieser einfachen Ermittlung der Fließspannung im Zugversuch stehen nur geringe mögliche Umformgrade bis zur Einschnürung der Probe gegenüber. Ab der Einschnürung der Zugprobe ist eine einfache Beziehung nicht mehr anwendbar. Für technische Umformverfahren ist der Zylinderstauchversuch zur Ermittlung der Fließspannung kf besser geeignet, da wesentlich höhere Umformgrade erreichbar sind. Ohne gute Schmierung ist der Zylinderstauchversuch durch die Reibung jedoch nicht mehr einachsig. Mit Zylinderstauchproben nach Rastegaev /3, 5/ kommt man der Reibungsfreiheit beim Stauchversuch jedoch sehr nahe, so dass dieser Stauchversuch nach Rastegaev ein sehr gut geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Fließspannung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen darstellt. Mit zylindrischen Proben und einem ho/do-Verhältnis von 1,5 bis 2,0 sind Umformgrade φh = 1,6 bis φh = 2,0 erreichbar. Bei niedrigen Temperaturen werden Öle und Fette als Schmiermittel verwendet, bei höheren Temperaturen finden Glasmischungen oder Graphit als Schmiermittel Verwendung /5/. Die so ermittelte Fließspannung kf wird als Funktion des Umformgrades φh in der so genannten Fließkurve kf = f(φ) dargestellt. Das Bild 3.1.7 zeigt Kaltfließkurven verschiedener metallischer Werkstoffe.



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Bild 3.1.7: Kaltfließkurven metallischer Werkstoffe, aufgenommen bei Raumtemperatur, nach /1/

Für umformtechnische Berechnungen ist die Kenntnis des Verlaufs der Fließspannung kf mathematische Funktion erforderlich.

als

Die bekannteste Kaltfließkurvenfunktion ist die sogenannte Ludwik-Gleichung /3,5/ in der Form: kf = C ⋅ ϕn (ϕ ≥ 0,02) Dabei ist der Koeffizient C in N/mm2 eine werkstoffabhängige Konstante und n der sogenannte Verfestigungsexponent. Die folgende Tabelle /3/ zeigt für verschiedene metallische Werkstoffe die Koeffizienten der Ludwik-Gleichung. Werkstoff St 38 St 42 St 60 C 10 Ck 10 Ck 35 15 Mn 3 16 Mn Cr 5 20 Mn Cr 5 100 Cr 6 Al 99,5 Al Mg 3 Cu Zn 40

C MPa 730 850 890 800 730 960 850 810 950 1160 110 390 800

n

_

0,10 0,23 0,15 0,24 0,22 0,15 0,09 0,09 0,15 0,18 0,24 0,19 0,33

Mit steigender Umformtemperatur nimmt durch Entfestigung sowie dynamische Erholung und Rekristallisation die Fließspannung ab. Neben der Temperatur ist dabei die Umformgeschwindigkeit ϕ (Formänderung pro Zeiteinheiten) von Bedeutung. Die Umformgeschwindigkeit ϕ =

dϕ dt

ϕ

ist definiert:

oder näherungsweise

ϕ ≈

∆ϕ ∆t



7

Im folgenden Bild 3.1.8 ist die Fließspannung kf für den Stahlwerkstoff 16MnCr5 für Temperaturen von 20° C bis 1100° C dargestellt.

Bild 3.1.8: Fließkurven des Stahls 16MnCr5 bei verschiedenen Temperaturen, nach /1/

Wenn der Verlauf der Fließspannung von Raumtemperatur bis zu hohen Temperaturen betrachtet wird, treten insbesondere bei Kohlenstoffstählen (z.B. C15, C45, C60) im Temperaturbereich von ca. 150° C bis 400° C relative Minima und Maxima im Verlauf der Fließspannung auf. Dieser als Blauwärme bezeichnete Effekt ist im folgenden Bild 3.1.9 dargestellt. Ähnliches Verhalten tritt im Bereich zwischen 700° C und 900° C ( α- γ Umwandlung) auf. Anwendung von Fließkurven Eine wichtige Anwendung der Fließkurven ist die Ermittlung der Umformarbeit für einen Umformschritt. Beim Stauchen eines zylindrischen Körpers gilt für einen bestimmten Arbeitsbetrag: dW = F ⋅ dh = k f ⋅ A ⋅ dh

Bild 3.1.9 : Fließspannung in Abhängigkeit von der Temperatur, nach /1/


3.2 Druckumformen

Für die gesamte Umformarbeit gilt ( h1

von h0 bis h1

8

):

dh h0 h h1

W = V ⋅ ∫ k f (ϕ ) ⋅ dϕ ≈ V ⋅ k fm ⋅ ∫ h0

Dabei k fm =

ist 1

ϕ 2 − ϕ1

kfm

die

mittlere

Fließspannung

für

den

Umformschritt

von

h0 bis

h1

ϕ2

⋅ ∫ k f (ϕ )dϕ ϕ1

Die geringst mögliche Umformarbeit ist die ideelle Umformarbeit Wid (reibungsfrei): Wid = V ⋅ k fm ⋅ ϕ h

Die tatsächliche, verlustbehaftete Umformarbeit, ist die effektive Umformarbeit Weff. Damit kann W der Umformwirkungsgrad η F bestimmt werden: η F = id Weff

Für die Umformleistung P gilt:

P=

W tu

mit

tu

als Umformzeit

Bezieht man die Umformarbeit auf die Volumeneinheit, ergibt sich die so genannte spezifische Umformarbeit oder auch Arbeitsdichte, w genannt. W V

= w = k fm ⋅ ϕ

Ausführliche Darstellung der Plastomechanik sowie der Berechnungsgrundlagen umformtechnische Verfahren finden sich in einschlägigen Monographien /3, 7, 9, 10, 11/. 3.2

für

Druckumformen

Gemäß DIN 8582 /16/ teilt man die Umformverfahren in 5 Gruppen ein. Die erste Gruppe sind die Druckumformverfahren nach DIN 8583-1 /17/. Unter Druckumformen versteht man das Umformen eines Körpers, wobei die plastischen Formänderungen im wesentlichen durch ein- oder mehrachsige Druckspannungszustände hervorgerufen werden. Zu den Druckumformverfahren gehören die Untergruppen: Druckumformen DIN 8583-1 Walzen DIN 8583-2

Freiformen DIN 8583-3

Durchdrücken DIN 8583-6

Umformstrahlen DIN 8200

Gesenkformen DIN 8583-4

Eindrücken DIN 8583-5

Oberflächenveredlungsstrahlen DIN 8200

Innerhalb der Untergruppen erfolgt eine weitere Unterteilung der Verfahren nach Art des Zusammenwirkens von Werkzeug und Werkstück sowie der Art des Bewegungsablaufs zwischen beiden.

3.2.1 Walzen Unter Walzen versteht man ein fortschreitendes Druckumformen mit sich drehenden Werkzeugen (Walzen). Dabei können die Walzen angetrieben oder durch das Werkstück geschleppt sein. Innerhalb der Metallerzeugung stellt das Walzen das wichtigste Umformverfahren dar. Nach der Anordnung von Walzen und Walzgut zueinander sowie der Kinematik beim Walzen wird unterschieden in: Längswalzen - Flachlängswalzen - Profillängswalzen

Walzen Querwalzen - Flachquerwalzen - Profilquerwalzen

Schrägwalzen - Profilschrägwalzen

Die unterschiedlichen Verfahrensprinzipien zeigt das folgende Bild 3.2.1.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.1: Verfahrensprinzipien des Walzens, a) Längswalzen, b) Querwalzen, c) Schrägwalzen, nach /1/

Beim Längswalzen stehen Walzgut und Walzen senkrecht zueinander. Das Walzgut bewegt sich senkrecht zu den Walzenachsen i.a. ohne Drehung um seine Längsachse zwischen den Walzen hindurch. Sofern die beiden Walzen zylindrische Form besitzen, spricht man vom Flach- (Längs-) Walzen. Wenn die Mantelflächen profilierte (kalibrierte) Oberflächen aufweisen, wird dies Profil(Längs-) Walzen genannt. Beim Querwalzen stehen Walzgut und Walzen parallel zueinander, wobei sich das Walzgut i.a. beim Umformvorgang um seine Längsachse dreht. Beim Schrägwalzen sind die Walzenachsen gegensinnig schräg zueinander geneigt. Das Walzgut bewegt sich unter Drehung um seine Längsachse durch die Umformzone (Walzspalt). Wenn das Walzgut vor der Umformung erwärmt wird, spricht man vom Warmwalzen (Warmumformen). Ist dies nicht der Fall, liegt Kaltwalzen (Kaltumformen) vor. Die Walzerzeugnisse werden nach Euronorm 79-82 /22/ in Halbzeug und Fertigerzeugnisse unterteilt. Dabei ist ein Halbzeug ein Walzprodukt, das für eine, meist umformende, Weiterverarbeitung bestimmt ist. Die Fertigerzeugnisse erfahren zwar auch noch eine Weiterverarbeitung, die aber nicht in erster Linie umformend stattfindet. Walzerzeugnisse Halbzeug:

Fertigerzeugnisse: Profilerzeugnisse

- Knüppel

Flacherzeugnisse

- Stäbe, Draht, Rohre

- Bleche: Grob-, Mittel-, Feinbleche

- Vorblöcke

- Profile (I–Träger, Schienen, Spundbohlen)

- Band: Breit-, Mittel-, Schmalband

- Brammen

- Sonderprofile

Knüppel und Vorblöcke sind Halbzeuge mit quadratischem, rechteckigem oder rundem Querschnitt, die u.a. als Vormaterial zum Walzen von Stäben, Draht oder Rohren verwendet werden. Brammen sind Halbzeuge mit rechteckigem Querschnitt als Vormaterial zum Walzen von Blechen und Bändern. Die Walzerzeugung von Halbzeug hat durch die Stranggießtechnik an Bedeutung verloren. Knüppel, Vorblöcke und Brammen werden heute überwiegend aus der schmelzflüssigen Phase im Stranggießverfahren erzeugt. Stäbe, rund, vierkant, sechskant oder in anderer Form, werden als gerade Walzprodukte in Stangen hergestellt. Draht ist ein Walzprodukt, rund, vierkant oder in anderer Form, das regellos zu Ringen aufgewickelt wird. Bleche stellen flache, rechteckige Walzprodukte dar, die als Einzeltafeln erzeugt werden. Ihre Einteilung als Grob-, Mittel- oder Feinblech richtet sich nach der Dicke des Bleches. Band ist ein flaches, rechteckiges Walzprodukt, das regelmäßig zu Coils (Hohlzylindern) aufgewickelt wird. Bleche und Bänder werden im ersten Fertigungschritt im Warmwalzprozess erzeugt. Dünne Bänder werden im folgenden Kaltwalzprozess weiterverarbeitet. Zum Walzen werden entweder einzelne Walzgerüste oder eine Zusammenfassung mehrer Walzgerüste (zu s.g. Walzstraßen) verwendet.


3.2 Druckumformen

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Eine Einteilung und Benennung der Walzgerüste wird nach der Art der Anordnung der Walzen im Gerüst durchgeführt. Das folgende Bild 3.2.2 zeigt die Walzenanordnung in verschiedenen Arten von Walzgerüsten. Eine besondere Bauart stellt das Universalwalzgerüst dar, das zum Walzen parallelflanschiger ITräger, U-Profile und ähnlicher Querschnitte verwendet wird. Im Universalgerüst sind in einer Ebene vier Walzen angeordnet, zwei Horizontalwalzen (angetrieben) und zwei Vertikalwalzen (geschleppt), siehe Bild 3.2.3. Zur Umformung der Flanschspitzen (bei I-Profilen) werden Universalgerüste zumeist mit einem Duo-Flanschenstauchgerüst kombiniert.

Bild 3.2.2 : Anordnung von Walzen in einem Walzgerüst, a) Walzen gegen eine ebene oder profilierte Platte, b) Zweiwalzen/Duo-Gerüst, c) Dreiwalzen/Trio-Gerüst, d) Lauth´sches Trio-Gerüst, e) Doppel-Zweiwalzengerüst, f) Vierwalzen/Quarto-Gerüst, g) 6-Walzengerüst, h) MKW-Gerüst (Mehrzweck-Kaltwalz-Werk), i) 20-Walzengerüst (Cluster mill), nach /2/.

Bild 3.2.3 : Universalwalzgerüstgruppe zum Walzen von Parallelflansch-Trägern, A) Universalwalzgerüst, B) Flanschenstauchgerüst, nach /1/.

Das Walzen von Rohren in einem Schrägwalzgerüst zeigt das Bild 3.2.4.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.4: Walzen von Rohren in einem Schrägwalzgerüst mittels Stopfen und Stopfenstange, nach /2/, a) Anwalzen des Rundknüppels, b) Aufweiten und Lochen mittels Stopfen, c) Lochen, Auswalzen und Glätten, d) Ende des Walzprozesses.

Warmwalzwerke Rohblöcke und Rohbrammen sowie stranggegossene Blöcke und Brammen werden in Warmwalzwerken erster Hitze auf Duo-Walzgerüsten im Reversier-Walzbetrieb ausgewalzt. Dabei wird nach jedem Stich die Walzrichtung durch Drehzahlumkehr der Hauptantriebe gewechselt. Je nach Walzgutmasse variieren die Walzendurchmesser dieser Gerüste zwischen 800 und 1500 mm. Nach jedem Stich wird die Oberwalze ausgestellt, um die Walzgutdicke in jedem Walzstich verändern zu können. Das Bild 3.2.5 zeigt zwei Duo-Reversiergerüste im Schnitt. Die Antriebsleistungen je Motor derartiger Walzgerüste betragen bis zu 20 MW, wobei an die gesamten Antriebselemente hohe dynamische Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Stabilität und Belastbarkeit gestellt werden.

Bild 3.2.5: Duo-Reversiergerüste zum Walzen von Rohblöcken, Brammen und Knüppeln, nach /1/, A) Gerüst mit Doppelankermotor und Kammwalzengetriebe, B) Gerüst mit Doppelantrieb (Twin-drive) ohne Zwischengetriebe.

Aus gewalzten oder stranggegossenen Brammen wird im Warmwalzprozess Warmband erzeugt, wobei man bei Bandbreiten größer als 650 mm von Warmbreitband spricht. Die größten Bandbreiten betragen dabei 2000 mm, in Einzelfällen sogar 2300 mm, bei Coilgewichten bis zu 48 to. Den Lageplan eines modernen, leistungsstarken Breitbandwalzwerkes zeigt das Bild 3.2.6.


3.2 Druckumformen

12

Derartige Walzwerksanlagen sind in der Lage pro Jahr mehr als 5 Millionen Tonnen Warmband zu erzeugen. Diese Großanlagen erfordern einen hohen Investitionsaufwand und sind nur im Rahmen großer integrierter Hüttenwerke zu betreiben.

Bild 3.2.6 : Lageplan eines modernen Warmbreitbandwalzwerkes, nach /12/

Eine Neuentwicklung zur Erzeugung von Warmband mit wesentlich geringeren Investitionskosten und deutlichen Einsparungen von Heizenergie ist die so genannte CSP-Technologie (CompactStrip-Produktion). Eine solche Anlage ist im Bild 3.2.7 dargestellt.

Bild 3.2.7 : CSP-Anlage zur Herstellung von Warmband, nach /13/

Hierbei wird der flüssige Stahl in einer Gießmaschine zu einer Dünnbramme von ca. 50 mm Dicke gegossen. Diese Dünnbramme läuft direkt in einem Ausgleichsofen von bis zu 200 m Länge ein. In diesem Ofen findet nur noch ein Temperaturausgleich über den Brammenquerschnitt statt. Seinen Wärmeinhalt bringt der Gießstrang aus der Flüssigphase mit. Das nachfolgende Warmwalzwerk mit 5 bis 7 Gerüsten erzeugt Warmband in Dicken zwischen 0,85 bis 20 mm. Kaltwalzwerke Warmgewalztes Band wird nach dem Beizen (Entfernen der Oxidschichten/Zunder durch Säuren) in vielen Fällen kalt weiter gewalzt. Dies geschieht z. B. Coil für Coil auf Einzelgerüsten, wie es im Bild 3.2.8 dargestellt ist, wobei das Coil reversierend in mehreren Stichen zwischen den beiden Haspeln auf- bzw. abgewickelt wird.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.8 : Kaltwalz-Reversiergerüst im MKW-Bauart zum Kaltwalzen von Bändern, nach /1/

Für große Kaltband-Produktionsmengen werden Kaltwalz-Tandem-Straßen mit 3 bis 5 Walzgerüsten verwendet. Eine solche Großanlage zeigt das Bild 3.2.9. Derartige Großanlagen mit Produktionsmengen zwischen 2,5 bis 3,5 Millionen Tonnen Kaltband pro Jahr werden i.a. nur in großen integrierten Hüttenwerken betrieben. Kaltgewalztes Band ist durch die Formänderung beim Kaltwalzen stark verfestigt und für eine Weiterverarbeitung als KaltFeinblech zu spröde. Es wird daher im Anschluss an den Kaltwalzprozess rekristallisierend geglüht, um die Umformbarkeit des Werkstoffes wiederherzustellen. Dies muss unter einer Schutzgasatmosphäre geschehen, um die aufwendig erzeugte blanke und glatte Oberfläche des Kaltbandes nicht wieder zu zerstören. Diese Glühung wird in z. B. einer Haubenglühanlage durchgeführt, die im Bild 3.2.10 dargestellt ist. Kennzeichnendes Merkmal einer Haubenglühung ist ein langsamer, gleichgewichtsnaher thermischer Wärmebehandlungsvorgang. Damit können sehr weiche, gut umformbare Kaltbänder erzeugt werden. Höherfeste Kaltfeinblechwerkstoffe mit besonderen mechanischen Eigenschaften werden heute in Bandbehandlungsanlagen erzeugt, wie im Bild 3.2.11 dargestellt.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.9 : Tandem-Kaltwalzwerk mit 5 Gerüsten, nach /1/, A) Querschnitt durch die Tandem-Kaltwalzstraße, B) Lageplan des gesamten Kaltwalzwerkes mit Nebenanlagen

Mittels Bandschweißanlagen und Bandspeichern wird das kaltgewalzte Band endlos in Heiz- und Kühlstrecken unter Schutzgasatmosphäre behandelt, wobei durch die z.T. sehr schnelle Aufheizung und Abkühlung besondere mechanische Eigenschaften erreichbar sind, die in Haubenglühanlagen nicht erzeugt werden können.

Bild 3.2.10 : Haubenglühanlage für Kaltband, nach /1/, A) Heizhaube, B) Kühlhaube


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.11 : Bandbehandlungsanlage für Kalt-Feinblech, nach /1/

Warmwalzen von Draht und Stäben Die Erzeugung von Draht und Stabstahl wird in kontinuierlich angeordneten Walzstraßen durchgeführt, bei denen heute bis zu 30 Walzgerüsten in kontinuierlicher Anordnung verwendet werden. Die kleinsten Drahtdurchmesser betragen dabei 5,0 bis 5,5 mm, wobei heute in modernen Drahtwalzwerken Endwalzgeschwindigkeiten bis zu 120 m/s für dünne Drahtabmessungen erreicht werden. Beim Draht- und Stahlwalzen wird der Querschnitt des Walzgutes von Stich zu Stich verringert. Dies bedingt das wechselseitige Walzen in horizontaler und vertikaler Richtung. Für diese Art von Warmwalzprozessen werden Profilwalzgerüste mit kalibrierten (profilierten) Walzen eingesetzt, wobei die Walzen im Gerüst horizontal bzw. vertikal eingebaut sind, wie es Bild 3.2.12 zeigt.

Bild 3.2.12 : Vertikal- und Horizontalwalzgerüst eines Drahtwalzwerkes, Vertikalgerüst mit Antrieb von oben, nach /14/

Um alle Kaliber eines Walzenballens verwenden zu können müssen Horizontal- und Vertikalgerüste in Ballenrichtung verschiebbar sein, um einen geraden Lauf des Walzgutes durch die Gerüste der Walzstraße gewährleisten zu können.


3.2 Druckumformen

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3.2.2 Freiformen Gemäß DIN 8582 /16/ und DIN 8583 /17/ gehört das Freiformen, auch Freiformschmieden genannt, zu den Druckumformverfahren. Im Gegensatz zum Walzen, wo mit drehenden Werkzeugen gearbeitet wird, kennzeichnet das Freiformen die Gegeneinanderbewegung der Werkzeuge. Als Maschinen kommen überwiegend Pressen zum Einsatz, die hydraulisch, mechanisch oder pneumatisch angetrieben sein können, wobei für größere Schmiedestücke überwiegend hydraulische Pressen verwendet werden. Das Bild 3.2.13 zeigt eine moderne, hydraulisch angetriebene Zwei-Säulen-Freiformschmiedepresse.

Bild 3.2.13: Hydraulische Zwei-Säulenpresse mit Unterflurantrieb und Werkzeugverschiebevorrichtung, Seitenansicht und Draufsicht, nach /2/

Zu den Fertigungsverfahren des Freiformschmiedens gehören nach DIN 8583-3 /17/: Freiformen: -Recken

-Rundkneten

-Schweifen

-Dengeln

-Breiten

-Stauchen

-Treiben

Dabei stellen die Verfahrenskombinationen Recken und Stauchen die wichtigsten Verfahren dar. Neben Stahl werden alle technisch wichtigen Metalllegierungen, wie Titan, Aluminium und Kupfer sowie ihre Legierungen durch Freiformen bearbeitet. Insbesondere für große Schmiedestücke, wie Turbinenwellen, Kurbelwellen, Walzen, dickwandige Hohlkörper sowie Vollscheiben und Lochscheiben werden als Ausgangsmaterial Rohblöcke verwendet. Dabei können die Rohmassen dieser Blöcke 200 to bis 300 to betragen. Durch das Freiformen wird die Gussstruktur des Rohblockes in ein homogenes Umformgefüge umgewandelt und Poren, Hohlräume sowie Lunker aus dem Gieß- und Erstarrungsprozess geschlossen. Das Recken ist durch die Anwendung geometrisch einfacher Werkzeuge zur Bearbeitung der Schmiedestücke gekennzeichnet, wie es das Bild 3.2.14 zeigt.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.14: Werkzeugkombination zum Recken und ihr Anwendungsbereich, nach /1/.

Mit Hilfe dieser zum Teil einfachen Werkzeuge können mittels Freiformen vielfältige Schmiedeprodukte erzeugt werden, wobei neben dem Recken insbesondere das Stauchen zur Anwendung kommt. Einige Verfahrensabläufe des Freiformens zeigt das Bild 3.2.15.

Bild 3.2.15: Schmieden eines Hohlkörpers großer Länge, nach /4/; 1) Rohblock, gegossen; 2) erste Überschmiedung mittels Recken, Trennen von Kopf- und Fußschrott; 3) Stauchen; 4) Lochen mit Hohldorn; 5) Ausschneiden des Butzens; 6) Aufweiten des gelochten Blockes; 7) Aufweiten durch Recken mit Dorn; 8) Ausschmieden der Mitte über Dorn; 9) + 10) Ausschmieden der Enden; a) Vorblock-Dorn; b) Schneidedorn; c) Lochmatrize; d) Aufweitdorn; e) Langdorn; f) flacher Obersattel; g) Bocksattel; h) schmaler Recksattel; i) Rundsattel.

Ein wesentliches Merkmal des Freiformens ist die Fertigung von Einzelstücken mit z. T. sehr großen Einzelgewichten, wobei mit geometrisch einfachen Werkzeugen kompliziert geformte Schmiedestücke erzeugt werden können. Freiformen wird zumeist als Warmformgebung durchgeführt, um eine ausreichende Umformbarkeit der Werkstoffe und eine geringe Umformarbeit bei hohen Umformtemperaturen sicherstellen zu können. Der Gesamtprozess findet dabei in mehreren Überschmiedungen statt, wobei nach jeder Überschmiedung das Werkstück wieder auf Umformtemperatur nachgewärmt wird.


3.2 Druckumformen

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Neben Recken und Stauchen gehört das Rundkneten zu den Verfahren des Freiformens. Beim Rundkneten, das warm- und kaltumformend durch durchgeführt wird, werden zwei, drei oder mehr Werkzeuge zur Umformung verwendet, wie es das Bild 3.2.16 zeigt.

Bild 3.2.16: Rundkneten: Verfahren und Werkzeugbewegung nach /2/; a) Rundkneten im Durchlaufverfahren mit kegeligen Werkzeugen; b) Rundkneten im Einsteckverfahren mit Queranstellung der Werkzeuge; c) Rundkneten eines Hohlkörpers mit Innenprofil und drehbarem Profildorn; d) Rundkneten eines Außenprofils mit Queranstellung der Werkzeuge; A) Werkstück; B) Werkzeug; I) Innendorn; H) Hubbewegung der Werkzeuge; L) Längsvorschub; Q) Queranstellung.

Mittels Rundkneten lassen sich Voll- und Hohlkörper mit Innen- und Außenprofil im Durchlaufoder Einstechverfahren erzeugen. Sowohl im Kalt- als auch im Warmumformverfahren können Werkstücke mit hoher Maßgenauigkeit erzeugt werden. Dabei werden z. T. hohe Hubzahlen der Werkzeuge angewendet, die zu geringen Werkzeugkontaktzeiten führen, was insbesondere bei Warmumformung zu einer geringen Werkstückabkühlung bzw. Werkzeugaufheizung führt, was wiederum die Werkzeugstandzeiten positiv beeinflusst. Breiten ist ein Freiformen, bei dem das Werkstück überwiegend in Breitenrichtung umgeformt wird. Treiben, Schweifen und Dengeln sind spezielle Fertigungsverfahren des Freiformens, die auf die historisch handwerkliche Tradition des Freiformens hinweisen.

3.2.3 Gesenkformen Das Gesenkformen stellt ein Druckumformen dar, wobei gegeneinander bewegte Werkzeuge das Werkstück ganz oder teilweise umschließen. In das Gesenk (Werkzeug) ist die Geometrie des Werkstücks als Negativ eingearbeitet (Gravur). Das Gesenkschmieden ist ein typisches Umformverfahren für die Massenfertigung. Der erforderliche Aufwand der Gesenkfertigung und bearbeitung ist nur bei einer bestimmten Mindestanzahl an Gesenkschmiedestücken wirtschaftlich. Je nach dem wie die Gesenkgravur das Werkstück umschließt, definiert man offene, halboffene oder geschlossene Gravuren, wie es das Bild 3.2.17 zeigt.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.17: Verschiedene Arten von Gesenkgravuren nach /2/; A) offene Gravuren; B) halboffene Gravur (mit Gralspalt); C) geschlossene Gravur; a)Gravur zum Prägen; b) Gravur zum Rollen; c) + e) einfach geteilte Gravuren; d) + f) mehrfach geteilte Gravuren

Je nach Anzahl der Gravuren pro Gesenk spricht man von Einfach- oder Mehrfachgesenken. Sind in einem Gesenk mehrere, hintereinander folgende Gravuren des Umformens angeordnet, spricht man von Mehrstufengesenken. Bei Mehrfachgesenken ist die gleiche Gravur mehrfach angeordnet. Ausgangsmaterial für das Gesenkformen ist Halbzeug in gewalzter oder stranggegossener Form mit rundem oder viereckigem Querschnitt. Dazu wird ein Rohling bestimmter Länge, dessen Volumen dem Fertigteil plus Grat entspricht, auf Umformtemperatur erwärmt, in die Gravur eingelegt und umgeformt. Je nach Komplexität des Werkstückes geschieht dies in einer oder mehreren aufeinander folgenden Gravuren. Wenn Ober- und Untergesenk in Endposition aufeinander liegen, füllt der Werkstoff die Gravur aus, wobei überschüssiges Material in den Gratspalt verdrängt wird. Als Umformmaschinen werden mechanische Pressen oder Hämmer verwendet. Zwei Bauarten von Gesenkschmiedehämmern zeigt Bild 3.2.18.

Bild 3.2.18: Aufbau von Gesenkschmiedehämmern, nach /2/. A) Schabottehammer (Fallhammer); B) Gegenschlaghammer; a) Gestell; b) Hammerbär; c) Schabotte; d) Zwischenlage; e) Fundament; f) Oberbär; h) Grundplatte; ho Fallhöhe; so, su Beschleunigungsweg des oberen und unteren Bären

Fallhämmer stellen arbeitsgebundene Schmiedemaschinen dar, bei denen die potentielle Energie aus Bärmasse und Fallhöhe in Umformarbeit umgesetzt wird. Beim Gegenschlaghammer wird die kinetische Energie beider Hammbären in Umformarbeit eingesetzt. Bei Schabottehämmern trifft der


3.2 Druckumformen

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Hammerbär mit dem Obergesenk auf die feststehende Schabotte mit dem Untergesenk auf. Bei reinen Fallhämmern wird der Hammerbär nur durch die Erdanziehung beschleunigt. Bei Oberdruckhämmern wird der Bär zusätzlich durch Druckwirkung auf einen Antriebskolben (pneumatisch oder hydraulisch) beschleunigt. Ein Nachteil von Schabottehämmern sind die Erschütterungen beim Schlag, die über die Schabotte ins Fundament eingeleitet werden. Dies tritt bei Gegenschlaghämmern nicht auf. Beide Bären bewegen sich durch mechanische oder hydraulische Kopplung synchron aufeinander zu, ohne dass ein Stoß ins Fundament eingeleitet wird. Bei gleichem Arbeitsvermögen sind daher Gegenschlaghämmer leichter gebaut als Schabottehämmer. Für schnelle, voll automatisierte Gesenkschmiedeprozesse werden heute mechanische Schmiedepressen zu so genannten Schmiedelinien angeordnet. Eine solche Schmiedelinie zur Fertigung von LKW-Vorderachsen und Kurbelwellen zeigt das Bild 3.2.19.

Bild 3.2.19: Automatische Schmiedelinie für die Fertigung von LKW-Vorderachsen und Kurbelwellen, nach /2/; a) Rohling, b) Vorquerschnitt nach dem Reckwalzen, c)+d) Schmieden in drei Arbeitsschritten auf einer Keilpresse (Vor- und Fertigpressen, Verdrehen); e) Abgraten, Rechten und Kalibrieren; 1) Reckwalze, 2) Keilpresse, 3) Abgratpresse, 4) Verdrehmaschine, 5) Richt- und Kalibrierpresse

Ebenfalls zum Gesenkformen gehört das Stauchen und Pressen mit formgebundenen Werkzeugen, wie es bei der Fertigung von Schrauben, Bolzen, Nieten und ähnlichen Teilen angewendet wird. Diese überwiegend im Kaltumformverfahren hergestellten Teile weisen eine sehr große Formenvielfalt auf, wie es das bild 3.2.30 zeigt:

Bild 3.2.20 : Formenvielfalt von Schrauben durch Kaltstauchen im Gesenk, nach /2/


3.2 Druckumformen

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Die mögliche Vielfalt der Werkstückgeometrie, die erreichbaren großen Formänderungen, der Bereich der möglichen Werkstückmasse und die hervorragende Eignung zur Massenfertigung ergeben eine große Anwendungsbreite für das Gesenkformen innerhalb der Fertigungstechnik. 3.2.4 Durchdrücken Unter Durchdrücken versteht man ein Druckumformverfahren nach DIN 8583 /17/, bei dem das Werkstück teilweise oder insgesamt durch eine Werkzeugöffnung (Matrize) mit einer Reduzierung des Querschnitts hindurchgedrückt wird. Zu den Durchdrückverfahren gehören: Verjüngen, Strangpressen und Fließpressen. Verjüngen von Vollquerschnitten stellt dabei eine Querschnittsreduktion dar. Das Verjüngen von Hohlkörpern besteht im Einhalsen von Hülsen oder Rohren am Ende der Werkstücke. Strang- und Fließpressen stellen die am häufigsten angewendeten Durchdrückverfahren dar. Dabei werden im Strangpressverfahren langgestreckte Voll- und Hohlquerschnitte erzeugt. Das Fließpressen ist durch die Herstellung von Einzelstücken gekennzeichnet. Das Strangpressen stellt ein Durchdrückverfahren dar, bei dem ein Werkstück (Block) von einem Rezipienten umschlossen wird und mit Hilfe eines Pressstempels durch eine Matrizenöffnung ausgepresst wird. Je nach Formänderung entstehen dabei lange Fertigstränge. Die Verfahrensprinzipien zeigt das Bild 3.2.21.

Bild 3.2.21 : Verfahrensprinzipien des Strangpressens, nach /2/ unterteilt nach Vorwärts-, Rückwärts- und Querstrangpressen, a) Voll-Vorwärtsstrangpressen, b) Voll-Rückwärtsstrangpressen, c) Voll-Querstrangpressen, d) Hohl-Vorwärtsstrangpressen, e) Hohl-Rückwärtsstrangpressen, f) Hohl-Querstrangpressen

Beim Vorwärtsstrangpressen (Hohl- oder Vollkörper) wird der gesamte Pressblock durch den Pressstempel und die Pressscheibe gegen den Rezipienten verschoben, was eine hohe Wandreibung an der Rezipienteninnenwand hervorruft. Beim Rückwärtsstrangpressen dagegen wird der Pressblock relativ zur Innenwand nicht verschoben, so dass keine Wandreibung auftritt. Die erforderlichen Presskräfte sind daher geringer als beim Vorwärtsstrangpressen. Beim Querstrangpressen tritt der Pressstrang senkrecht zur Stempelbewegung aus. Beim Strangpressen sind hohe Formänderungen erreichbar. Zusammen mit dem günstigen Spannungszustand sind, insbesondere bei Leichtmetallen wie Aluminiumlegierungen, komplizierte Querschnittsformen möglich. Das Bild 3.3.22 zeigt mögliche Profilformen.


3.2 Druckumformen

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Bild 3.2.22 : Profilformen beim Strangpressen, nach /2/, a) Vollprofil, b) offenes Profil, c) Halbhohlprofil mit geringen Querschnittsunterschieden, d) Halbhohlprofil mit großen Querschnittsunterschieden, e) Hohlprofil, f) Rippenrohr (Wärmetauscherprofil), a)+b) Messing-Legierungen; c), d) + e) Aluminium-Legierungen; f) rostfreier Cr-Ni-Stahl

Im Gegensatz zum Strangpressen werden beim Fließpressen Einzelstücke erzeugt, die überwiegend kalt umgeformt werden, wobei Stahl ein häufig verwendeter Werkstoff ist. Beim Fließpressen unterscheidet man verschiedene Verfahrensprinzipien, wie sie im Bild 3.2.23 dargestellt sind. Im Fließpressverfahren werden hauptsächlich rotationssymmetrische bzw. achssymmetrische Teile hergestellt, die einen Voll-, Hohl- oder Napfquerschnitt besitzen. Im Fließpressverfahren lassen sich Teile mit hoher Maßgenauigkeit und guter Oberfläche herstellen, wobei man bei Kaltumformung noch die Festigkeitserhöhung durch Verfestigung nutzen kann. Bei schwer umformbaren Werkstoffen oder wenn große Formänderungen erreicht werden müssen, kann das sogenannte Halbwarmfließpressen zur Anwendung kommen, bei dem das Werkstück je nach Werkstoff auf Temperaturen zwischen 300° C und 700° C erwärmt wird.

Bild 3.2.23 : Verfahren des Fließpressens, Aufbau der Werkzeuge und herstellbare Werkstückformen, nach /2/

3.2.5 Eindrücken Die Eindrückverfahren gehören nach DIN 8582 /16/ zu den Druckumformverfahren. Die Eindrückverfahren werden nach der Art der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug unterschieden. Eindrücken - mit geradliniger - mit umlaufender Werkzeugbewegung Werkzeugbewegung


3.3 Zugdruckumformen

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Beim Eindrücken mit geradliniger Werkzeugbewegung wird nach der Werkzeugbewegung mit und ohne Gleiten unterschieden. Nach DIN 8583 /17/ gehört das Körnen, Kerben, Einprägen, Einsenken, Dornen, Hohldornen und Prägerichten zu den Eindrückverfahren mit geradliniger Werkzeugbewegung ohne Gleiten. Bei diesen Verfahren wird ein Werkzeug in etwa senkrecht in ein nicht bewegtes Werkstück eingedrückt. Körnen und Kerben wird häufig mit Handwerkzeugen ausgeführt. Wenn sich beim Eindrückvorgang mit geradliniger Werkzeugbewegung das Werkzeug relativ zum Werkstück bewegt, spricht man von gleitender Werkzeugbewegung. Zu den wichtigsten Eindrückverfahren mit umlaufender Werkzeugbewegung gehört das Rändeln, bei dem das Werkzeug (Rändelrad) umlaufend in das Werkstück eingedrückt wird. Eine ausführliche Darstellung der Eindrückverfahren findet sich bei Spur /1/ und Lange /3/. 3.3

Zugdruckumformen

Zugdruckumformen stellt ein Umformen eines festen Körpers durch Kombination von Zug- und Druckbeanspruchung dar. Nach DIN 8584 /18/ werden die Zugdruckumformverfahren unterteilt in: Zugdruckumformen - Durchziehen

– Tiefziehen

– Drücken

– Kragenziehen

– Knickbauen

Dabei stellen das Durchziehen und Tiefziehen sowie mit Einschränkungen das Drücken die wichtigsten Zugdruckumformverfahren dar. 3.3.1 Durchziehen Das Durchziehen stellt ein Zugdruckumformverfahren dar, bei dem das Werkstück durch eine Werkzeugöffnung hindurchgezogen wird, die sich in Ziehrichtung verengt. Nach DIN 8584 /18/ werden die Durchzieh-verfahren unterteilt in: -

das Gleitziehen von Vollkörpern (Drahtziehen, Stabziehen, Flachziehen von Bändern oder Blechen) das Gleitziehen von Hohlkörpern mit und ohne Innenwerkzeug (Rohrziehen und Abstreckziehen) das Walzziehen von Voll- und Hohlkörpern

Beim Gleitziehen stellt das Werkzeug (Ziehstein, Ziehring) ein feststehendes, geschlossenes, meist sich konisch verengendes Bauteil dar, durch das das Werkstück hindurchgezogen wird. Das Bild 3.3.1 zeigt das Verfahrensprinzip des Gleitziehens. Das Gleitziehen wird meist als Kaltumformung durchgeführt, wobei häufig mehrere Ziehschritte unmittelbar in einer Maschine aufeinander folgen.

Bild 3.3.1: Verfahrensprinzip des Gleitziehens, nach /1/, A) Gleitziehen eines Vollkörpers, B) Gleitziehen eines Hohlkörpers; a) Ziehwerkzeug, b) Ziehrichtung, c) Werkstück



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Beim Gleitziehen von Vollkörpern (Drähte, Stangen oder Flachquerschnitte) wird das Ausgangsmaterial meist durch Warmwalzen oder Gießen hergestellt. Beim Drahtziehen werden warmgewalzte Anfangsquerschnitte von minimal ca. 5,0 mm bis maximal ca. 30 mm Durchmesser auf Enddurchmesser bis ca. 0,03 mm (in Sonderfällen noch kleiner) gezogen. Je nach Verfestigung und Umformvermögen des Werkstoffes geschieht dies mit einer oder mehreren rekristallisierenden Zwischenglühungen. Gezogene Querschnitte weisen eine hohe Maßgenauigkeit, enge Toleranzen, auch hinsichtlich ihrer Rundheit, bei guter Oberfläche und besonderen Festigkeitseigenschaften auf. Beim Gleitziehen von Hohlkörpern werden unterschiedliche Formänderungen angestrebt. Neben dem Außendurchmesser kann auch der Innendurchmesser sowie die Wandstärke des Hohlquerschnitts verändert werden. Daher wird zwischen dem Hohl-Gleitziehen ohne Innenwerkzeug, dem Gleitziehen über einen festen Stopfen bzw. über einen losen, auch schwimmenden Stopfen genannt, dem Gleitziehen mit mitlaufender Stange und dem Abstreckgleitziehen unterschieden. Das Bild 3.3.2 zeigt das Verfahrensprinzip des Gleitziehens mit festem Stopfen.

Bild 3.3.2: Verfahrensprinzip des Gleitziehens über einen festen Stopfen (auch Dorn genannt) nach /1/; Ziehwerkzeug; b) Hohlkörper (Werkstück); c) Dornstange; d) Stopfen (Dorn)

Bei diesem Umformprozess begrenzt die Länge der Stopfenstange die Anfangslänge des Hohlkörpers. Zudem können nur annähernd gerade Werkstücke gezogen werden. Der Schmierung an der Innenseite zwischen Dorn und Werkstück-Innenoberfläche ist besondere Beachtung zu schenken, um eine einwandfreie innenseitige Oberfläche zu erhalten und ein Rattern der Stopfenstange zu vermeiden. Wie beim Gleitziehen von Vollquerschnitten wird eine Greifvorrichtung verwendet, mit der der Endquerschnitt erfasst und durch das Werkzeug gezogen wird. Beim Hohl-Gleitziehen über einen schwimmenden (fliegenden) Stopfen ist die Ausgangslänge des Hohlkörpers nicht begrenzt. Das Bild 3.3.3 zeigt das Verfahrensprinzip.

Bild 3.3.3: Verfahrensprinzip des Hohl-Gleitziehens über einen schwimmenden Stopfen, nach /1/, a) Ziehwerkzeug; b) Hohlkörper (Werkstück); c) schwimmender Stopfen

Der schwimmende Stopfen wird durch das Gleichgewicht der rückwärts gerichteten Druckkräfte und den vorwärts gerichteten Reibkräften an den Kegelflächen des Dorns in Position gehalten. Im Prinzip können mit diesem Verfahren beliebig lange Rohre erzeugt werden. Auch hier ist die Schmierung an der Rohrinnenseite von besonderer Bedeutung. Beim Hohl-Gleitziehen über eine mitlaufende Stange, wie es Bild 3.3.4 zeigt, tritt keine Reibung zwischen Innenwerkzeug und Hohlkörper auf, da die Stange nicht relativ zur Innenwand bewegt wird.



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Die Übertragung der Ziehkraft erfolgt hierbei über die mitlaufende Stange. Die Stangenoberfläche ist dabei von großer Bedeutung, da sich der Hohlkörper bei der Umformung eng an die Stange anlegt und anschließend wieder vom Innenwerkzeug getrennt werden muss. Die Stangenlänge begrenzt auch hier die Fertiglänge des Rohres.

Bild 3.3.4: Verfahrensprinzip des Hohl-Gleitziehens über eine mitlaufende Stange, nach /1/; a) Ziehwerkzeug; b) Hohlkörper (Werkstück); c) mit laufende Stange

Beim Abstreckgleitziehen wird das Werkstück, ein Hohlkörper mit Boden, mit Hilfe eines Stempels durch einen Abstreckring hindurchgezogen. Dabei wird die Wanddicke des Hohlkörpers verringert. Das Bild 3.3.5 zeigt das Verfahrensprinzip.

Bild 3.3.5: Verfahrensprinzip des Abstreckgleitziehens nach /1/; a) Hohlkörper mit Boden; b) Abstreckring; c) Stempel

Beim Abstreckgleitziehen werden überwiegend Einzelstücke erzeugt. Bei allen anderen Durchziehverfahren handelt es sich z.T. um sehr lange Werkstücke, die meist noch in anderen Fertigungsverfahren weiter verarbeitet werden. Beim Walzziehen wird ein Werkstück durch eine Öffnung gezogen, die durch zwei oder mehr Walzen gebildet wird. Auch beim Walzziehen ist die Umformung von Voll- und Hohlkörpern möglich, wobei bei Hohlkörpern in gleicher Weise Innenwerkzeuge zum Einsatz kommen können wie bei den Gleitziehverfahren. Das Verfahrensprinzip zum Walzziehen von Vollquerschnitten zeigt das Bild 3.3.6. Da das Werkzeug (Walzensatz) das Werkstück nicht vollständig umschließt, ist im ersten Walzensatz eine ovale Werkzeugkontur (Ovalkaliber) erforderlich. Der ovale Querschnitt wird dann im zweiten Walzensatz zu einem Rundquerschnitt geformt. Andere Querschnittsformen (Vierkant, Rechtkant usw.) sind ebenso möglich.

Bild 3.3.6: Verfahrensprinzip des Walzziehens von Vollquerschnitten mit zwei Walzenpaaren, nach /1/; a)Ausgangsquerschnitt; b) erster Walzensatz mit ovalem Kaliber; c) zweiter Walzenansatz mit Rundkaliber; d) Zielrichtung; e) Endquerschnitt; f) Längszug zwischen den Walzensätzen



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Die gesamte Ziehkraft beim Walzziehen ist nach Untersuchungen /1/ geringer als beim Gleitziehen, da die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück geringer ist. Dies führt zu einem geringeren Werkzeugverschleiß bzw. erlaubt höhere Ziehgeschwindigkeiten. Bei Ziehmaschinen unterscheidet man nach der Anzahl der aufeinander folgenden Ziehstufen zwischen Einfach- und Mehrfach-Ziehmaschinen. Das Bild 3.3.7 zeigt schematisch die verschiedenen Bauformen zum Drahtziehen.

Bild 3.3.7: Bauformen von Drahtziehmaschinen, nach /1/; A) Einfachziehmaschine; B) Mehrfachziehmaschine; h) Haspel (Ablauf); s) Ziehscheibe; z, z1 bis z4) Ziehwerkzeuge; t) Ziehtrommel

Zum Drahtziehen kommt warmgewalzter, entzunderter Draht zum Einsatz, wobei für dünne Einsatzquerschnitte (z. B. 5,5 mm Durchmesser) eine warmgewalzte Drahtader mehr als 10 km lang sein kann. Um lange Laufzeiten beim Ziehen zu erreichen, werden mehrere Drahtbunde aneinander geschweißt. Der Draht läuft von einem Ablaufhaspel durch das Ziehwerkzeug auf die Ziehscheibe auf. Mehrere Drahtwindungen umschlingen die Ziehscheibe, wobei durch die Reibung zwischen dem Draht und der Scheibe die erforderlichen Kräfte zum Durchziehen des Drahtes aufgebracht werden. Bei Mehrfachziehmaschinen muss die Drehzahl der folgenden Ziehscheiben auf die Querschnittsverminderung jeder Ziehstufe abgestimmt sein. Beim Ziehen von Stabmaterial werden sogenannte Ziehbänke verwendet, wie sie in Bild 3.3.8 dargestellt sind.

Bild 3.3.8: Bauformen von Ziehbänken für stabförmige Werkstücke, nach /1/: A) mit Seilantrieb; B) mit Kettenantrieb; C) mit hydraulischem Antrieb



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Die Ziehlängen bei derartigen Ziehbänken liegen zwischen 5 und 15 Meter. Für noch größere Längen werden Ziehbänke mit zwei Greif-vorrichtungen (Ziehwagen) eingesetzt, die sich gegenläufig bewegen und den Stab abwechselnd erfassen und ziehen. Bei Ziehbänken wird meist ein Einzelstab gezogen, bei kleineren Querschnitten wird auch ein Mehrstangenzug praktiziert, wobei bis zu 10 Stäbe durch eine spezielle Greifvorrichtung gefasst und gezogen werden. 3.3.2 Tiefziehen Das Tiefziehen ist gemäß DIN 8584 /18/ das Zugdruckumformen eines Blechquerschnitts, wobei der Blechquerschnitt in tangentialer Richtung durch Druckspannungen und in radialer Richtung durch Zugspannungen umgeformt wird. Die Verfahrensunterteilung erfolgt nach der Art der Einleitung der Umformkraft, wie es die Übersicht im Bild 3.3.9 zeigt.

Bild 3.3.9: Verfahrensprinzipien des Tiefziehens nach DIN 8584 /18/, nach /2/

Die größte praktische Bedeutung beim Tiefziehen haben die Verfahren mit starrem Werkzeug, auf die im folgenden näher eingegangen werden soll. Für die weiteren Verfahren sei auf die einschlägigen Monographien verwiesen /1, 2, 3, 8/. Im Tiefziehverfahren können sowohl rotationssymmetrische als auch prismatische und beliebig geformte Hohlkörper gefertigt werden, deren Abmessungen, z. B. bei Fahrzeug-Karosserieteilen, mitunter sehr groß sein können. Tiefziehen stellt eines der wichtigsten Blechbearbeitungsverfahren dar. Die Verfahrensprinzipien des Tiefziehens mit starren Werkzeugen zeigt schematisch Bild 3.3.10. Beim Tiefziehen wird der Blechzuschnitt, bei rotationssymmetrischen Teilen Ronde genannt, von einem Stempel durch eine Ziehmatrize hindurchgezogen. Dabei soll aus dem Blechquerschnitt (flach) ein Hohlkörper mit möglichst gleicher Blechdicke erzeugt werden. Das plastische Fließen soll nur in der Blechebene stattfinden. Die erforderliche Umformkraft wird über den Boden des Hohlteils und die anschließende Hohlkörperwand in das Blech eingeleitet. Bodenreißer stellen daher die Grenze der Umformung dar.



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Bild 3.3.10: Verfahrensprinzipien des Tiefziehens mit starren Werkzeugen, nach /2/; a) Erstzug: Vorzug, Anschlagzug; b) Tiefziehen durch eine Matrize mit Niederhalter; c) Tiefziehen im Weiterzug ohne Niederhalter; d) Weiterzug mit Niederhalter; e) Stülpziehen: Weiterzug entgegen der ersten Ziehrichtung

Bei größeren Formänderungen in tangentialer Richtung muss mit Niederhaltern gearbeitet werden, um eine Wellenbildung (Ausknicken) des Blechzuschnitts an den Rändern zu unterdrücken. Dies ist ggf. auch im Weiterzug erforderlich. Da beim Tiefziehen Bauteile mit möglichst konstanter Blechstärke erzeugt werden sollen, muss das Fließen bevorzugt aus der Blechebene erfolgen. Dieses Umformverhalten von Blechwerkstoffen wird durch besondere Maßnahmen beim Warm- und Kaltwalzen von Blechen sichergestellt. Man nennt dies senkrechte Anisotropie. Es ist typisches Verhalten von Blechwerkstoffen bei der Umformung /1, 3, 5, 8/. Für das Tiefziehen kommen mechanische oder hydraulisch angetriebene Pressen zum Einsatz. 3.3.3 Drücken Das Drücken stellt das Zugdruckumformen eines Blechquerschnitts zu einem meist rotationssymmetrischen Hohlkörper dar, wobei das formbestimmende Werkzeug (Drückform, Drückfutter) mit dem Blech umläuft. Das Gegenwerkzeug, das die eigentliche Umformung bewirkt (Drückrolle, Drückstab), berührt das Blech nur örtlich. Dabei ist eine Veränderung der Blechdicke nicht berücksichtigt. Wenn gezielt Blechdickenänderungen gewollt sind, spricht man von Drückwalzen. Die Verfahrensprinzipien des Drückens zeigt das Bild 3.3.11.

Bild 3.3.11: Verfahrensprinzipien des Drückens, nach /2/: a) stufenweises Aufdrücken; b) Drücken mit Gegenhalter bei dünnen Blechen; c) Bordieren (Randrollen); d) stufenweises Einziehen; e) Projizier-Streckdrücken

Das Drücken hat gegenüber dem Tiefziehen den Vorteil, dass der Aufwand für das Werkzeug deutlich geringer ist. Sofern die Teile rotationssymmetrisch sind, ist eine große Formvielfalt herstellbar. Zudem sind mit Drücken Formen zu erzeugen, die durch Tiefziehen nicht zu fertigen


3.4 Zugumformen

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sind. Drücken ist besonders für Kleinserien geeignet. Die Gefahr der Falten- und Rissbildung an den Blechrändern kann durch Gegenhalter verringert werden. 3.3.4 Weitere Zugdruckumformverfahren Nach DIN 8584 /18/ gehören das Kragenziehen und Knickbauchen noch zu den Zugdruckumformverfahren. Unter Kragenziehen versteht man dabei ein Umformverfahren, bei dem an Blechen oder Rohren durch Zugdruckbelastung ein Kragen aufgestellt wird. Bei Blechen wird dies bevorzugt mit Vorlochen durchgeführt. Dieser Kragen an Blechen und Rohren dient zum Anlöten oder Anschweißen von Teilen, zum Einschneiden von Gewinden oder Einpressen von Bolzen. Beim Knickbauchen wird ein Blechhohlkörper mit axialen Druck- und tangentialen Zugspannungen nach innen oder außen zum Ausknicken gebracht. Damit lassen sich Falze oder Sicken erzeugen, an denen weitere Teile befestigt oder geführt werden können. Ausführliche Darstellungen finden sich bei Spur /1/ und Lange /3/. 3.4

Zugumformen

Zu den Zugumformverfahren nach DIN 8585 /19/ gehören das Längen mit dem Strecken und Streckrichten, das Weiten mit Werkzeugen und mit Wirkmedien sowie das Tiefen mit starren und nachgiebigen Werkzeugen. Kennzeichen dieser Verfahren sind die Umformung des Werkstückes mit ein- oder mehrachsiger Zugbeanspruchung. Das Weiten stellt ein Zugumformverfahren dar, bei dem der Umfang eines Hohlkörpers vergrößert wird. Das Tiefen ist ein Zugumformverfahren, bei dem in ein ebenes oder gewölbtes Blech Vertiefungen eingebracht werden. Eine ausführliche Darstellung der Zugumformverfahren findet sich bei Spur /1/ und Lange /3/. Das industriell wichtigste Zugumformverfahren stellt das Strecken oder Streckziehen dar. Hiermit können großformatige Blechteile für die Flugzeug- oder Automobilindustrie erzeugt werden. Das Verfahrensprinzip zeigt das Bild 3.4.1.

Bild 3.4.1: Streckziehen von Blechen, nach /2/, a) im Vertikalzug mit festen Spannzangen, b) mit horizontalem Tangentialzug und ziehenden Spannzangen, c) Unterziehen des Stempels im Tangentialzug mit Wechsel der Ziehrichtung einer Spannzange.

Beim Streckziehen im Tangentialzug lassen sich maßgenauere Teile als beim einfachen Streckziehen herstellen. Zudem ist der Schnittabfall beim Tangentialstreckziehen i.a. geringer.


3.5

3.5 Biegeumformen

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Biegeumformen

Das Biegeumformen nach DIN 8586 /20/ berechnet ein Umform-verfahren, bei dem die Formänderungen durch Biegebeanspruchung herbeigeführt werden. Biegeumformen gehört zu den wichtigsten Blechumformverfahren. Neben Blechen werden aber auch Drähte, Stäbe, Profile und Rohre durch Biegen umgeformt. Gemäß DIN 8586 /20/ unterscheidet man das Biegeumformen mit geradliniger oder drehender Werkzeugbewegung. Bei geradliniger Werkzeugbewegung stellt das Gesenkbiegen das wichtigste Verfahren dar, wie es im Bild 3.5.1 dargestellt ist.

Bild 3.5.1 : Gesenkbiegen in einer Gesenkbiegepresse, nach /2/; a) Biegen im Gesenk (schematisch), Mehrfachgesenk und Gesenkbiegemaschine; b) Arbeitsschritte beim Biegen im Gesenk für ein Türzargenprofil.

Während im Gesenkbiegeverfahren nur Profile bestimmter Länge (Gesenklänge) herstellbar sind, erlaubt das Walzprofilierverfahren (Rollbiegen) die Fertigung sehr langer Biegeprofile aus Bandmaterial bestimmter Breite, wie es das Bild 3.5.2 zeigt.

Bild 3.5.2 : Walzprofilieren (Rollbiegen) von Blechen, nach /2/

In einem weiteren Arbeitsgang können die so gebogenen Profile längs verschweißt werden, um Profilrohre großer Länge herstellen zu können. Derartige walzprofilierte Querschnitte aus


3.7 Zusammenfassung, Literaturverzeichnis

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Blechstreifen verschiedener Dicke haben im Leicht- und Fahrzeugbau sowie im Innenausbau bei Gebäuden heute eine große Anwendungsbreite. Ein häufig angewendetes Biegeumformen mit drehender Werkzeugbewegung zeigt das Bild 3.5.3. Dieses Walzenrundbiegen von Blechen zu großen Hohlkörpern dient zur Fertigung von Großrohren mit einem nachfolgenden Längsnahtschweißen des rundgebogenen Hohlkörpers. Das Walzenrundbiegen wird ebenso zur Fertigung großer Behälter oder Druckkörper eingesetzt.

Bild 3.5.3 : Walzenrundbiegen von Blechen zu großen runden Hohlkörpern, nach /1/ ; Rundbiegemaschine; B) Vier-Walzen- Rundbiegemaschine

A) Drei-Walzen-

Neben dem Apparatebau, z.B. für die chemische Industrie, werden derartige große Hohlkörper im Schiffbau oder der Off-Shore-Technik verwendet. Eine ausführliche Darstellung der Biegeumformverfahren findet sich in /1/ und /3/. 3.6

Schubumformen

Gemäß DIN 8587 /21/ stellt das Schubumformen ein Fertigungs-verfahren dar, bei dem die Formänderungen durch Scher- oder Schubbeanspruchung herbeigeführt werden. Man unterscheidet bei den Verfahrensprinzipien zwischen Verdrehen und Verschieben. Da die Anwendung und die industrielle Bedeutung des Schubumformens gering ist, sei für weitere Information auf die einschlägige Literatur verwiesen /1, 3, 8/. 3.7

Zusammenfassung, Literaturverzeichnis

Umformen von Metallen hat eine jahrtausendealte handwerkliche Tradition und hat sich von diesen handwerklichen Anfängen in der Antike zu einem umfassenden Fertigungsverfahren der modernen Industriegesellschaft entwickelt. Viele Produkte des täglichen Lebens sind heute ohne Umformen nicht denkbar. Wie bei allen Fertigungs-verfahren bleiben die ressourcenschonende Werkstoffverwendung, die Optimierung des Energieeinsatzes für den Prozess, die kostengünstige Fertigung mit hoher Maßgenauigkeit und geeigneter Oberfläche die Herausforderungen für die industrielle Anwendung und Weiterentwicklung.



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Literaturverzeichnis: Quellen und weiterführende Literatur [1] Spur, G;, Schmoeckel, D.: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 2/1: Umformen. Band 2/2: Umformen. Band 2/3: Umformen und Zerteilen. München: Carl Hanser Verlag, 1985 [2] Flimm, J.: Spanlose Formgebung. München, Wien: Hanser, Verlag 1996 [3] Lange, K.: Umformtechnik, Handbuch für Industrie und Wissenschaft, Band 1: Grundlagen. Band 2: Massivumformung. Band 3: Blechbearbeitung. Band 4: Sonderverfahren, Prozeßsimulation, Werkzeugtechnik, Produktion. Berlin: Springer-Verlag, 1989-1996 [4] Haller, H. W. : Handbuch des Schmiedens. München: Carl Hanser Verlag, 1971 [5] Pöhlandt, K.: Werkstoffprüfung für die Umformtechnik. Berlin: Springer-Verlag, 1986 [6] Billigmann, J., Feldmann, H.-D. : Stauchen und Pressen. München: Carl Hanser Verlag, 1973 [7] Kopp, R..; Wiegels, H.: Einführung in die Umformtechnik. Aachen: Verlag Augustinus Buchhandlung, 1998 [8] Dahl, W.; Kopp, R..; Pawelski, O.: Umformtechnik – Plastomechanik und Werkstoffkunde. Düsseldorf: Verlag Stahleisen, Berlin: Springer-Verlag, 1993 [9] Lippmann, H.; Mahrenholtz, O.: Plastomechanik der Umformung metallischer Werkstoffe. Berlin: Springer-Verlag, 1968 [10] Ismar, H.; Mahrenholtz, O.: Technische Plastomechanik. Braunschweig: Vieweg Verlag, 1980 [11] Lippmann, H.: Mechanik des plastischen Fließens. Berlin: Springer-Verlag, 1981 [12] Braun, M.; Pfeiffer, J.; Rosenthal, D.; Vogtmann, L.: Die 2050 mm Warmbreitbandstraße Baoshan. Firmenschrift SMS Demag AG, Nr.: W4/2125; s.a. MPT, Vol. 14 (1991), No. 4, S. 86-98 [13] Kneppe, G.; Rosenthal, D.: Warmbandproduktion: Herausforderungen für das neue Jahrtausend. Firmenschrift SMS Demag AG, Nr.: W4/2145; s.a. Stahl u. Eisen 118 (1998), Nr. 7, S. 61-68 [14] Yin, P. Y.; Müller, A.: Kunming Iron & Steel single strand high-speed wire rod mill. Firmenschrift SMS Demag AG Nr.: W3/2259-1995 [15] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8580 Fertigungsverfahren - Begriffe, Einteilung. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [16] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8582 Fertigungsverfahren Umformen - Einordnung, Unterteilung, Begriffe, alphabetische Übersicht. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [17] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8583-1 Fertigungsverfahren Druckumformen. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [18] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8584-1 Fertigungsverfahren Zugdruckumformen. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [19] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8585-1 Fertigungsverfahren Zugumformen. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [20] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8586 Fertigungsverfahren Biegeumformen. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [21] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN 8587 Fertigungsverfahren Schubumformen. Beuth Verlag, Berlin, Mai 2002 [22] Euronorm 79-82: Einteilung und Benennung von Stahlerzeugnissen nach Formen und Abmessungen. März 1982 [23] DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN 10002 Metallische Werkstoffe - Zugversuch. Beuth Verlag, Berlin, Dez. 2001 [24] VDI-Richtlinie Nr. 3137 vom Januar 1976. Begriffe, Benennungen, Kenngrößen des Umformens



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Weiterführende Literatur: Hensel, A..; Poluchin, P.I.; Lehnert, W.; Spittel, Th. u.a.: Technologie der Metallformung, Eisen- und Nichteisenwerkstoffe. Leipzig: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1990 Pawelski, H.; Pawelski, O.: Technische Plastomechanik, Kompendium und Übungen. Düsseldorf: Verlag Stahleisen, 2000 Hartley, P.; Pillinger, I.; Sturgess C.: Numerical Modelling of Material Deformation Processes. London: Springer-Verlag, 1992 Schuler GmbH (Herausg.): Handbuch der Umformtechnik. Berlin: Springer Verlag, 1996 Wagner, R.H., Chenot, J.-L.: Fundamentals of Metal Forming. New York: John Wiley & Sons, 1997 Becker, H.; Hinkfoth, R.; Guericke, W.; König, B.; Müller H.-K.: Walzwerke: Maschinen und Anlagen. Leipzig: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1988

Umformtechnik Skript Mauk

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