028-Umformen
Die Episode
Transkript
Die DIN 8580 als Ganzes haben wir bereits in in Folge 2 kennengelernt. Eine ebenso wichtige Hauptgruppe dieser DIN neben dem Trennen ist das, in unserer heutigen Zeit der Schnelllebigkeit und der erhöhten Ressourcenschonung viel verwendete, Fertigen mit einem sogenannten volumenkonstanten Prozess.
Eine weitere Hauptgruppe der DIN 8580 ist also das Umformen. Im Gegensatz zu den zwei anderen Hauptgruppen Trennen oder Fügen wird beim Umformen kein Material hinzugefügt oder entfernt. Präzise ausgedrückt ist es das plastische Ändern der Form eines festen Körpers unter Beibehaltung sowohl der Masse als auch des Stoffzusammenhangs.
Bei einer vereinfachten Schellenfertigung drückt beispielsweise ein Zylinder mit Radius senkrecht auf ein Blech, das sich in den passenden Durchmesser in einem darunter liegen Körper drückt.
Das Augenmerk liegt zusammengefasst auf den umzuformenden Werkstoffen und den dazugehörigen plastischen Verhaltenseigenschaften. Eine Temperaturänderung bringt wiederum eine weitere Unterteilung dieses Fertigungsverfahrens hervor, da es erhebliche Unterschiede auf das Werkstück als auch auf das gewünschte Ergebnis liefert. Referenzwert ist hierbei der Rekristallisationspunkt. Aber dazu gleich mehr.
Eine weitere wichtige Unterscheidung geht aus der industriellen Produktion hervor und unterteilt das Umformen noch einmal in das Massivumformen und das Blechumformen. Massivumformen sagt aus, dass der Werkstoff von dreidimensionalen Teilen auf mit unter großen Querschnitts- und Wanddickenänderung in jeder Achse die Form ändert. Die dabei auftretenden Kräfte sind in der Regel größer als die beim Blechumformen. Typische Beispiele des Massivumformens sind das Walzen, Gesenkformen oder Eindrücken. Anwendungsbeispiele der Bauteilgestaltung für das Massivumformen sind das Schmieden von Achsen oder Getriebewellen. Denn bei der Kaltmassivumformung ermöglicht die sehr hohe Genauigkeit die Herstellung einbaufertiger Teile und verringert so Kosten und liefert im Anschluss eventuelle Produktvorteile.
Um das Wesentliche zu verstehen, schauen wir uns einmal kurz an, was dabei in den Werkstoffen passiert. Metalle bestehen aus Atomen die eine regelmäßige, feste Anordnung besitzen. Man spricht vom kristallinen Aufbau. Wenn wir nun also einen Werkstoff nur so lange beanspruchen, dass dieser sich wieder in die Ursprungsform zurückbewegt, nennen wir „Elastizität“. David Stachg erläutert dies auch in der Folge 17 über das Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Atome besitzen ein Minimum an potenzieller Energie, solange sie aus ihrer stabilen Gleichgewichtslage verschoben werden. Der Betrag der Verschiebung ist bis hierhin kleiner als der Atomabstand. Wird nun der Betrag größer als besagter Atomabstand fügen sich die Atome in eine neue Lage des stabilen Gleichgewichts und eine Umformung hat stattgefunden. Die eine Gitterebene des Kristallits verschiebt sich, grob gesagt, um eine Position zur nächsten.
Nun soll noch einmal kurz geklärt werden, wieso das Umformen unseren heutigen Industriestandards und Anforderungen an sicherheitskritische Bauteile in die Hände spielt. Kosten- und qualitätsbewusste Prozessingenieure stellen zum Beispiel fest, dass durch höhere Betriebsfestigkeiten der Komponenten geringere Dimensionierungen ohne Verluste der Belastbarkeit ermöglicht werden. Automobilindustrie bzw. Leichtbau haben in den letzten 100 Jahren enorm von diesen Techniken profitiert. Gießen, Schmieden oder die zerspanenden Verfahren, die lange dominierten und unter anderem für die Fertigung von Blechteilen genutzt wurden, konnten so durch die Blechumformung ersetzt werden und erfüllen nun andere Aufgaben im Herstellungsprozess. Heutzutage erfordern komplexe Bauweisen mit etlichen Kleinstbauteilen mit hohen Festigkeitswerten Technologien, die sich effizient nur durch das Umformen realisieren lassen können.
Bevor wir nun zu den unterschiedlichen Untergruppen kommen, soll noch einmal der Unterschied zwischen dem Kalt- und Warmumformen deutlich gemacht werden. Pauschal lässt sich hierzu sagen, dass Arbeiten bei niedrigen Temperaturen neben der Formerreichung eher dazu dienen das Material zu festigen, bzw. im Nachhinein die Stoffeigenschaft zu beeinflussen. Bei hohen Temperaturen wird hingegen das Ziel gesetzt, die Umformbarkeit eines Stoffes zu erhöhen. Es sei auch gesagt, dass niedrigere Maßtoleranzen bei niedrigen Temperaturen erreicht werden können und Werkstoffe passgenau verarbeitet werden.
Schauen wir nun noch einmal auf unsere besagte Hauptgruppe. Die erste Untergruppe, in der das Umformen aufgeteilt wird, ist das sogenannte Druckumformen nach DIN 8583. Hierbei treten ein- oder mehrachsige Druckkräfte auf, die den plastischen Zustand eines festen Körpers herbeiführen. Plastizität, um es einmal kurz anzuschneiden, tritt auf, wenn ein Körper seine maximale Elastizität überschritten hat und irreversibel verformt ist. Typische Verfahren dieser Gruppe wären das allgemein bekannte Walzen oder das Freiformen. Beim Walzen wird das Walzgut zwischen zwei Körpern (Walzen) hindurchtransportiert.
Als nächstes betrachtet man das Zugdruckumformen nach DIN 8584, nicht zu verwechseln mit dem Zugumformen nach DIN 8585. Im Gegensatz zu letzterem wird beim Zugdruckumformen durch die Kombination von Zug- und Druckbeanspruchung die Plastizität hervorgerufen, anders als durch reine Zugbewegung. Das reine Zugumformen wird zusätzlich ein- oder mehrachsig ausgeführt. Ein Beispiel hierfür wäre das Weiten oder Tiefen von Bauteilen. Verfahren, wo zusätzlich eine Druckkraft wirkt, sind das Durchziehen oder Tiefziehen. Beim Tiefziehen wird ein Blech durch einen Hohlkörper in einen anderen Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne gewollte Veränderung der Blechdicke geführt.
Die letzten beiden Untergruppen werden Biegeumformen und Schubumformen genannt. Das Biegeumformen oder auch Biegen nach DIN 8586 wird in das Biegen mit geradliniger und drehender Werkzeugbewegung aufgeteilt. Beispielsweise wird ein Stempel linear nach unten gefahren, um ein auf zwei Enden liegendes Blech umzuformen. Das nennt man freies Biegen. Tauscht man nun den Stempel und die beiden Auflageflächen durch Zylinder aus, wovon sich der mittlere nun zusätzlich auch um die eigene Achse dreht, spricht man vom Walzrunden. Man hat also eine drehende Werkzeugbewegung.
Das Schubumformen nach DIN 8587 beinhaltet weniger Verfahren als die anderen und unterscheidet zwischen Verdrehen und Verschieben. Entweder werden zwei benachbarte Werkstücke in Kraftwirkrichtung zueinander oder durch eine Drehbewegung gegeneinander verlagert. Bei entgegengesetzter Verlagerung spricht man vom Verdrehen. Bei gleicher vom Verschieben. Beispielsweise muss ein Vierkantstahl an einem Ende um 90 Grad gedreht werden. Hierbei wird dann an einem Ende maschinell ein Torsionsmoment erzeugt, bis es plastisch verformt ist.
Diese Folge wurde von Pablo Janßen, einem Studenten im Grundstudium im Studiengang Maschinenbau und Produktion geschrieben. Vielen Dank dafür.
Literaturquellen:
„Fertigungsverfahren 4 Umformen“ Fritz Klocke, 6. Auflage /
„Handbuch Umformen“ Hartmut Hoffmann, Reimund Neugebauer, Günter Spur, Auflage: HB Fertigung
geschrieben von Pablo Janßen
eingesprochen von Benjamin Remmers
