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Umformen

 

01. Was ist Umformen?

Umformen ist das Verändern der Form eines festen Körpers. Dabei bleiben Masse und Stoffzusammenhalt unverändert.

 

02. Welche Umformverfahren gibt es nach DIN 8580?

UmformenFertigungsartVerfahren, z. B.
  • Form des festen Körpers ändern
  • Zusammenhalt der Stoffteilchen und Masse des Körpers bleiben erhalten
1. DruckumformenWalzenNachfolgend werden ab Frage 05. ff. die gekennzeichneten Verfahren behandelt (lt. Rahmenplan).Schmieden
FreiformenEindrücken
GesenkformenDurchdrücken
2. ZugumformenLängenWeiten
Tiefen
3. ZugdruckumformenDurchziehenDrücken
TiefziehenNachfolgend werden ab Frage 05. ff. die gekennzeichneten Verfahren behandelt (lt. Rahmenplan).Knickbauchen
Kragenziehen
4. BiegeumformenBiegenNachfolgend werden ab Frage 05. ff. die gekennzeichneten Verfahren behandelt (lt. Rahmenplan).Wickeln
Runden
5. SchubumformenVerschiebenVerdrehen
  1. Beim Druckumformen

    wird das gesamte Werkstück in Richtung der Kraft gestaucht. Die Teilchen des Werkstücks verschieben sich so gegeneinander, dass es breiter wird (Beispiel: Walzen von Blech; vgl. 05.).

    Die Vorteile beim Gesenkformen (gegenüber Gussteilen) sind z. B.:

    • sehr gute Oberflächengüte

    • hohe Festigkeit

    • geringe Bearbeitungszeiten

    • Materialeinsparung

    • Verkürzung der Produktionszeit.

  2. Beim Zugumformen

    wird das gesamte Werkstück in Zugrichtung gedehnt. Die Teilchen des Werkstoffs verschieben sich in Zugrichtung (z. B. Tiefen).

  3. Beim Zugdruckumformen

    wird das Werkstück so geführt, dass Teile des Werkstücks gestaucht und andere gedehnt werden (Beispiel: Tiefziehen, vgl. unten/06.).

  4. Beim Biegeumformen

    wird eine gedachte Achse des Werkstücks um einen bestimmten Winkel abgebogen (Beispiel: Schwenkbiegen, vgl. unten/10.).

  5. Beim Schubumformen

    werden zwei benachbarte Querschnitte des Werkstücks gegeneinander verschoben:

    • Verschieben → parallel zueinander

    • Verdrehen → in einem Winkel zueinander

 

03. Welche Vorteile bietet das Umformen?

  • Beim Umformen wird der Faserverlauf im Werkstück nicht unterbrochen. Dadurch erhöht sich bei einigen Verfahren die Festigkeit des Werkstoffs.

  • Es können auch schwierige Formen bei hoher Oberflächenqualität und engen Toleranzen gefertigt werden.

  • Die Anzahl der Arbeitsvorgänge ist geringer als beim Fügen.

  • Die Werkstoffausnutzung ist wirtschaftlicher als bei spanenden Verfahren.

 

04. Wie unterscheiden sich Kalt- und Warmumformen?

Beim Kaltumformen werden für den Vorgang größere Kräfte benötigt. Die erreichbaren Formänderungen sind geringer. Beim Warmumformen ist dagegen die Gefahr der Rissbildung und Versprödung geringer.

 

05. Was ist charakteristisch für das Umformverfahren Walzen?

Durch die Druckkräfte gegenläufig rotierender Walzen wird der Werkstoff (im warmen oder kalten Zustand) auf die Form des Walzenspaltes gebracht.

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Die Produkte bei diesem Verfahren nennt man Walzerzeugnisse (Halbzeuge). Sie werden auf Walzstraßen/-anlagen hergestellt; deren Bauteile sind: Walzgerüst, Rollengänge, Schere, Wärmeofen (beim Warmwalzen).

 

06. Was ist Tiefziehen?

Das Tiefziehen gehört zu den wichtigsten Herstellverfahren der Blechumformung. Dabei wird ein ebener Blechzuschnitt (Ronde) zu einem Hohlteil umgeformt.

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Ablauf:

  • Der Zuschnitt, die Ronde, wird in die Aufnahme der Ziehmatrize eingelegt.

  • Der Niederhalter drückt die Ronde mit einer bestimmten Kraft FN gegen die Ziehmatrize.

  • Der Ziehstempel zieht die Ronde mit der Kraft FSt über die abgerundeten Einziehecken in die Matrize und formt das Teil um.

Um die Reibung zwischen Ronde und Werkzeug zu verringern, werden Schmierstoffe eingesetzt (z. B. Petroleum, Wasser-Grafit-Brei; vgl. Tabellenwerke).

Man unterscheidet Tiefziehen mit

  • starren Werkzeugen

  • elastischen Werkzeugen

  • Wirkmedien

  • Wirkenergie.

 

07. Welche physikalischen Bedingungen sind beim Tiefziehen zu beachten?

Die Werkstoffe werden beim Tiefziehen hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Um Brüche und Risse zu vermeiden, werden Tiefziehversuche durchgeführt. Dabei spielen u. a. das Ziehverhältnis β, der Zuschnittdurchmesser D sowie die Durchmesser d1, dN und der Ziehspalt zw am Tiefziehwerkzeug eine Rolle. Die entsprechenden Formeln zur Berechnung dieser Größen sind in den Tabellenwerken enthalten.

Beim Tiefziehen wirken folgende Kräfte:

 

$$Bodenreißkraft\; F_{B} = A_{B} \cdot R_{m}$$ mit $$AB = π\; (d_{1} + s) \cdot s$$

$$Tiefziehkraft\; F_{St} = A_{B} \cdot R_{m} \cdot 1,2 \cdot \frac{β – 1}{β_{max} – 1}$$

$$Niederhalterkraft\; F_{N} =  \frac{π}{4} \cdot (D_{2}-d_{N})² \cdot p $$

$$Gesamtziehkraft\; F = F_{St} + F_{N}$$

 

08. Welche Fehler können beim Tiefziehen entstehen?

Mögliche Fehlerquellen sind z. B.:

  • Werkstofffehler

  • Werkzeugfehler

  • Verfahrensfehler.

 

09. Welche Gestaltung der Tiefziehteile sollte angestrebt werden?

Die Radien am Werkstück sollten möglichst groß sein. Scharfkantige Übergänge, unterschnittene oder ausgebuchtete Teile sind zu vermeiden. Nach Möglichkeit sollte das Werkstück in einem Zug gefertigt werden.

Ziehleisten und Ziehwülste verbessern den Werkstofffluss: Der Materialfluss wird gebremst und das Werkstoffgefüge aufgelockert.

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10. Was ist Biegen?

Biegen ist die örtliche Veränderung der Werkstückkrümmung (Biegezone) entlang einer körperfesten Bezugslinie, der Biegelinie. Dabei wirken im äußeren Bereich des Biegequerschnitts Zugspannungen und im inneren Bereich Druckspannungen, d. h. die äußeren Fasern des Werkstoffs werden verlängert, die inneren Fasern verkürzt.

Die innere Faser, die beim Biegen weder gestreckt noch gestaucht wird, liegt ungefähr in der Mittellinie und wird als neutrale Faser bezeichnet (die Ausgangslänge wird durch das Biegen nicht verändert). Als Biegeradius bezeichnet man den an der Innenseite des Werkstücks liegenden Radius nach dem Biegen.

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11. Welche Biegeverfahren gibt es?

Die wichtigsten Biegeverfahren sind:

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  • Freies Biegen:
    → Bild 1

    Umformen ohne Verwendung von Vorrichtungen und Maschinen.

  • Beim Gesenkbiegen
    → Bild 2

    wird das Werkstück durch einen Biegestempel und das Biegegesenk umgeformt. Mit diesem Verfahren, das sehr häufig eingesetzt wird, sind auch schwierige Blechprofile herzustellen. Der Arbeitsgang ist erst nach völligem Anlegen des Werkstückes an das Biegegesenk abgeschlossen.

  • Beim Knickbiegen
    → Bild 3

    entsteht ein Ausknicken des Werkstückes senkrecht zur Kraftrichtung. Die Begrenzung der Umformzone wird durch eine Einspannung des nicht umzuformenden Werkstückteils erreicht.

  • Beim Rollbiegen
    → Bild 4

    wird der Zuschnitt in eine vorgegebene Form hineingedrückt. Um das Abrollen des Werkstücks zu verbessern, wird der Zuschnitt vor dem Rollbiegen vorgebogen.

  • Das Walzbiegen
    → Bild 5

    erfolgt durch hintereinander angeordnete Walzpaare.

  • Beim Schwenkbiegen
    → Bild 6

    wird das Werkstück an eine Auflage gedrückt und durch eine Biegewange umgeformt.

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12. Welche physikalischen und technologischen Gesetzmäßigkeiten sind beim Biegen zu beachten?

Es gelten folgende Bezeichnungen:

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  1. Zug- und Druckspannung, Zuschnittlänge L:

    Beim Biegen entsteht am äußeren Teil des Werkstücks Zugspannung, am inneren Teil Druckspannung (vgl. 10.). Daher muss vor dem Biegen die Länge des Zuschnitts (= gestreckte Länge) ermittelt werden. Es gilt:

     

    $$Zuschnittlänge\; (Gestreckte\; Länge\; L) = Länge\; der\; neutralen\; Faser$$

    Zur Berechnung vgl. die Tabellenwerke:

    • Berechnung von L für Biegewinkel α = 90°

    • Berechnung von L für beliebige Öffnungswinkel β

  2. Elastische Rückfederung, Rückfederungswinkel ε, Überbiegen des Werkstoffs:

    In Abhängigkeit von der Technologie federt ein Werkstoff bei geringem Biegemoment in die Ausgangslage zurück. Erst nach stärkerer Belastung biegt er sich weiter durch und bleibt gebogen. Es muss daher beim Biegen eines Werkstoffs seine Elastizitätsgrenze überwunden werden. Sind genaue Biegewinkel vorgegeben, muss die Rückfederung durch Überbiegen des Werkstoffs ausgeglichen werden. Der Rückfederungswinkel ε (auch: αR) ist 1 % … % des Biegewinkels α. Seine Größe ist abhängig

    • von der Blechdicke

    • vom Biegewinkel

    • vom Biegeradius

    • von der Elastizität des Werkstoffs.

    Zur Berechnung vgl. die Tabellenwerke:

    • Rückfederung beim Biegen VDI 3389

  3. Bruchgrenze εB:

    Beim Biegen eines Werkstoffs muss seine spezifische Bruchgrenze beachtet werden; sie ist abhängig von der Werkstofftechnologie. Zum Biegen geeignete Werkstoffe sind z. B. Stahl, Kupfer, Aluminium, Zink, Magnesium und ihre Legierungen.

  4. Mindestbiegeradius rmin:

    Speziell bei Blechen gilt, dass sie nicht scharfkantig abgebogen werden dürfen: Es kann sonst durch zu starkes Strecken an der Außenseite des Werkstoffs zu Rissen kommen. Daraus folgt: Beim Biegen muss ein bestimmter Mindestbiegeradius rmin eingehalten werden. Seine Größe ist abhängig

    • von der Art des Werkstoffs

    • von seiner Festigkeit und Dehnbarkeit

    • von der Walzrichtung

    • von der Blechdicke.

    Zur Berechnung vgl. die Tabellenwerke:

    • Kleinstmögliche Biegeradien für NE-Metalle

    • Mindestbiegeradien für Rohre nach DIN 25570.

  5. Beachtung der Walzrichtung bei Blechen:

    Bleche sollten möglichst senkrecht zur Walzrichtung gebogen werden.

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  6. Biegen von Rohren und Hohlprofilen:

    Speziell beim Biegen von Rohren und Hohlprofilen sind wegen der zum Teil dünnen Wandungen folgende Hinweise zu berücksichtigen:

    • Das Einknicken oder Einquetschen des Biegequerschnitts lässt sich vermeiden durch folgende Maßnahmen:

      • Einhalten des Mindestbiegeradius (vgl. Herstellerhinweise; z. B. Stahlrohre: 10-fache des Außendurchmessers; Kupferrohre: 3-fache des Außendurchmessers)

      • Füllen der Hohlräume (Masse, Dorn)

      • Biegeform entsprechend dem Durchmesser des Werkstücks gestalten

      • Warmbiegen (damit kann der Mindestbiegeradius verringert werden)

    • Das freie Biegen von Hand sollte die Ausnahme bilden. In der Regel ist der Einsatz von Vorrichtungen (Biegevorrichtung, hydraulische Biegemaschine, Ringbiegemaschine) anzuraten.

    • Schweißnähte sollten außerhalb der Biegezone oder in der neutralen Zone liegen. Schweißnähte sind weniger elastisch (Bruchgefahr).

 

13. Was ist Gesenkschmieden und welche Vor- und Nachteile bietet es?

Gesenkschmieden ist ein Umformverfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen in hohen Stückzahlen. Der Ablauf beim Gesenkschmieden:

  • Der Rohling wird erwärmt (er sollte in etwa die Form des späteren Schmiedeteils haben) und in das Untergesenk gelegt.

  • Formen zum gewünschten Schmiedestück (evtl. mehrere Arbeitsgänge)

  • Teil entnehmen

  • evtl. Grat entfernen

  • vergüten.

Gesenkschmieden
Vorteile, z. B.Nachteile, z. B.
  • hohe Festigkeit
  • hohe Schwingbelastung
  • kein Montageaufwand für das Teil.
  • Einflüsse von Wärme
  • hoher Energieverbrauch
  • bei kleinen Stückzahlen hohe Kosten.