Umformen

Es wird zwischen

• Kaltumformung,
• Halbwarmumformung und
• Warmumformung unterschieden.

Bei der Warmumformung wird das Werkstück vor der Umformung auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs erwärmt. Dadurch kommt es während der Umformung regelmäßig zur Rekristallisation, die einer Verfestigung des Werkstoffes entgegenwirkt. Eine Kaltumformung geschieht unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Diese liegt für reines Eisen bei 450 °C und für Blei bei 3 °C, weshalb eine Umformung von Blei bei Raumtemperatur bereits Warmumformen ist. Bei der Halbwarmumformung erwärmt man das Werkstück auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, wodurch man die Vorteile der Warmumformung (leichtere Umformbarkeit und höheres Umformvermögen) mit den Vorteilen des Kaltumformens (Verfestigung, höhere Genauigkeit) verbinden kann. Für Stähle liegen technisch und ökonomisch sinnvolle Temperaturen zwischen 500 °C und 900 °C.[7]

Bei der Blechumformung werden Bleche als Rohteile genutzt. Meist handelt es sich um ebene Bleche. Vor allem durch die Automobilindustrie hat sie an Bedeutung gewonnen.[8] Wichtige Verfahren dafür sind das Biegen und das Tiefziehen sowie Verwinden, Drücken und Streckziehen.[9] Die Blechumformung wird meist als Kaltumformung durchgeführt.

Bei der Massivumformung werden dreidimensionale Rohteile genutzt, oder etwas genauer: Rohteile die in allen drei Dimensionen ähnliche Abmessungen haben. Die Massivumformung wird teils als Warm- und teils als Kaltumformung durchgeführt. Wichtige Fertigungsverfahren sind das Walzen, das Freiform- und Gesenkschmieden, Fließpressen, Strangpressen und Biegen von Stangen und Rohren.[10]

Die Umformverfahren werden nach DIN 8582 unterteilt nach den Spannungen, die die Umformung vorwiegend bewirken.

Es werden folgende Gruppen unterschieden:

Umformen bei vorherrschender Druckbeanspruchung. Fast alle Untergruppen haben eine große Bedeutung.[11]

1. Walzen zwischen zwei oder mehreren rotierenden Werkzeugen, den Walzen. Genutzt wird es zur Herstellung von Platten, Blechen, Folien, Schrauben, Stahlrohren.
2. Freiformen (auch Freiformschmieden): Umformen mit Werkzeugen, die die herzustellende Form nicht enthalten. Es wird häufig als Vorstufe für das Gesenkschmieden genutzt, ist sehr flexibel aber eher unproduktiv und geeignet für sehr große Werkstücke und kleine Serien.
3. Gesenkformen (auch Gesenkschmieden), Umformen mit Werkzeugen die die herzustellende Form zumindest teilweise als Negativ enthalten. Wird vor allem in der Serienproduktion genutzt, beispielsweise für verschiedene Teile im Antrieb von Fahrzeugen. Es ist sehr produktiv aber wenig flexibel.
4. Eindrücken, oberflächennahes Eindrücken von Formwerkzeugen. Hat nur geringe Bedeutung.
5. Durchdrücken, hierzu gehören die wichtigen Verfahren des Strang- und Fließpressens, die für Serienteile und Konstruktionsprofile genutzt werden, und das vergleichsweise unbedeutende Verjüngen.

• 
  Walzen
• 
  Freiformen
• 
  Gesenkformen
• 
  Strangpressen

Umformen bei gleichzeitiger Beanspruchung durch Zug- und Druckbelastungen unterschiedlicher Wirkrichtung; Untergruppen:[12]

1. Durchziehen Ziehen von Rohteilen durch hohle Werkzeuge. Die Werkstücke werden schmaler und länger. Wird genutzt für die Herstellung von Draht, Rohren und Profilen
2. Tiefziehen Das mit Abstand bedeutendste Verfahren der Gruppe. Hierbei werden flache Bleche in Hohlformen gezogen. Genutzt wird es zur Herstellung verschiedener Hohlkörper, darunter Getränkedosen, Karosserieteile oder Helme.
3. Drücken Hierbei werden aus flachen Blechen rotationssymmetrische Hohlkörper hergestellt, beispielsweise Kochtöpfe. Die Form der Werkstücke wird durch die Werkzeugbewegung gesteuert. Das Drücken ist daher verglichen mit dem Tiefziehen, flexibler aber unproduktiver.
4. Kragenziehen dient zum Aufweiten von Öffnungen in ebenen Blechen sowie zum Bördeln.
5. Knickbauchen dient zum Ausbauchen von Hohlkörpern
6. Innenhochdruckumformen ist die Umformung von Hohlkörpern durch Druckaufbau im Inneren. Zum Teil auch als Explosivumformen.

• 
  Tiefziehen, Rohteil (Rot)
• 
  Tiefziehen, Fertigteil
• 
  Durch Kragenziehen hergestelltes Bauteil

Umformen bei vorherrschender Zugbeanspruchung; Untergruppen:[13]

1. Längen, beispielsweise Verlängern von Stäben oder Blechen.
2. Weiten, beispielsweise Aufweiten von Hohlkörpern
3. Tiefen, beispielsweise Hohlprägen von Kfz-Schildern

Rundwalzen, Variante des Biegens mit drehender Werkzeug­bewegung

Umformen bei vorherrschender Biegebeanspruchung; Das Biegen kann für Bleche, Stangen und Rohre genutzt werden und wird nach DIN weiter unterteilt in:[14]

1. Biegeumformen mit geradliniger Werkzeugbewegung
2. Biegeumformen mit drehender Werkzeugbewegung

• 
  Mit gerader Bewegung (Hier Freies Biegen)
• 
  Mit drehender Bewegung (Hier Schwenkbiegen)

Umformen bei vorherrschender Schubbeanspruchung.

1. Verdrehen: Mit drehender Werkzeugbewegung. Wird genutzt zur Herstellung von Bohrern, Propellern.
2. Verschieben: Mit gerader Werkzeugbewegung. Wird genutzt um die Kurbeln bei Kurbelwellen herzustellen.

• 
  Verdrehen
• 
  Verschieben

• Wölbstrukturieren
• Guerin-Verfahren
• Kümpeln
• Hochdruck-Torsion

In den meisten Gebieten der Technik ist für den Zusammenhang zwischen der Formänderung eines Körpers und den herrschenden Kräften oder Spannungen (Kraft pro Fläche) das Spannungs-Dehnungs-Diagramm gebräuchlich. Dort werden als Größen die Dehnung (Längenänderung bezogen auf die Ausgangslänge) und die technische Spannung (Kraft pro Ausgangsquerschnitt) genutzt.

In der Umformtechnik haben sich diese Größen nicht bewährt. Stattdessen wird hier die Fließkurve ermittelt die einen Zusammenhang liefert zwischen dem Umformgrad ${\displaystyle \varphi }$ und der Fließspannung ${\displaystyle k_{f}}$.

• Die Fließspannung ist diejenige Spannung die zur plastischen Formänderung nötig ist. Sie wird nicht auf den Ausgangsquerschnitt bezogen, sondern auf den tatsächlich vorhandenen Querschnitt.
• Der Umformgrad ist die Längenänderung, die auf die jeweils vorhandene Längenänderung bezogen wird.

Fließkurven und somit die Fließspannungen hängen von mehreren Parametern ab. Die wichtigsten sind:

• die Umformtemperatur
• die Umformgeschwindigkeit
• der Werkstoff

In der Umformtechnik werden die Werkstücke in guter Näherung als inkompressibel betrachtet. Das Volumen der Werkstücke bleibt somit konstant. Wenn beispielsweise beim Walzen die Breite des Rohteils konstant ist und seine Dicke halbiert wird, dann verdoppelt sich seine Länge.

Die Umformgrade für die einzelnen Dimensionen müssen somit in Summe Null ergeben:[17]

${\displaystyle \varphi _{x}+\varphi _{y}+\varphi _{z}=0}$

Aus der Volumenkonstanz ergibt sich auch die Geschwindigkeit des Walzgutes: Das Volumen des Rohteils das zwischen den Walzen eintritt, muss auch hinter den Walzen wieder austreten. Bei einer Halbierung der Blechdicke, verdoppelt sich also die Geschwindigkeit nach den Walzen.[18]

Die Umformgeschwindigkeit ${\displaystyle {\dot {\varphi }}}$ gibt an wie schnell die Umformung erfolgt. Die Fließspannung steigt üblicherweise bei schneller Umformung.[19]

Es gilt:[20]

${\displaystyle {\dot {\varphi }}_{x}+{\dot {\varphi }}_{y}+{\dot {\varphi }}_{z}=0}$

Die für die Umformung eines bestimmten Werkstückes nötige physikalische Arbeit, wird benötigt für die Fertigungsplanung. Vor allem bei energiegebundenen Umformmaschinen, wie Fallhämmern ist sie nötig um die Anzahl der der nötigen Hübe zu ermitteln, da bei jedem Hub eine bestimmte Energie freigesetzt wird.

Die ideelle Umformarbeit ${\displaystyle W_{id}}$ (ohne Berücksichtigung von Reibung) lässt sich berechnen aus dem umgeformten Volumen ${\displaystyle V}$, der mittleren Fließspannung ${\displaystyle k_{fm}}$ und dem Umformgrad ${\displaystyle \varphi }$ zu:

${\displaystyle W_{id}=V\cdot k_{fm}\cdot \varphi }$.

Die reale Umformarbeit ${\displaystyle W}$ (mit Berücksichtigung von Reibung) ergibt sich über den Umformwirkungsgrad ${\displaystyle \eta _{F}}$ zu

${\displaystyle W=W_{id}\cdot {\frac {1}{\eta _{F}}}}$.

Der Umformwirkungsgrad liegt erfahrungsgemäß zwischen 0,4 und 0,8. Vor allem bei Werkstücken mit komplizierter Form, wird er experimentell ermittelt. Er hängt ab von der Reibung an den Werkzeugflächen, der Art des Umformverfahrens, dem umgeformten Werkstoff, der Werkstückgeometrie und dem Stofffluss.[21]

Die Kenntnis der Umformkraft wird bei kraft- und weggebundenen Umformmaschinen benötigt, um zu ermitteln, ob die geplanten Werkstücke überhaupt bearbeitet werden können. Von Interesse ist hier vor allem die maximale Kraft.

Bei der Berechnung muss unterschieden werden, ob die Kraft unmittelbar oder mittelbar in die Umformzone eingeleitet wird. Bei Verfahren mit mittelbarer Krafteinleitung, leitet das Werkstück von der Berührstelle mit dem Werkzeug aus die Kraft in die Umformzone weiter. Dazu zählt das Tiefziehen und Durchziehen. Bei Verfahren mit unmittelbarer Krafteinleitung liegt die Umformzone direkt an der Krafteinleitungsstelle. Dazu zählt das Walzen und Schmieden.[22]

Bei unmittelbarer Krafteinleitung ergibt sich die ideelle Umformkraft ${\displaystyle F_{id}}$ (ohne Berücksichtigung von Reibung) aus der Fließspannung ${\displaystyle k_{f}}$ und der Querschnittsfläche ${\displaystyle A}$ senkrecht zur Kraft zu

${\displaystyle F_{id}=A\cdot k_{f}}$.

Bei mittelbarer Krafteinleitung ergibt sich die ideelle Umformkraft zusammen mit der mittleren Fließspannung ${\displaystyle k_{fm}}$ und dem Umformgrad zu:

${\displaystyle F_{id}=A\cdot k_{fm}\cdot \varphi }$.