Umformen

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Dieser Artikel behandelt ein Fertigungsverfahren. Zum Umformen von mathematischen Gleichungen siehe Äquivalenzumformung, Lösen von Gleichungen
Umformtechnik ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Zur Zeitschrift siehe Umformtechnik (Zeitschrift).

Das Umformen (auch bildsame Formgebung) ist nach DIN 8580 eine Hauptgruppe von Fertigungsverfahren, bei denen plastischen Werkstoffe (Metalle und thermoplastische Kunststoffe) gezielt in eine andere Form gebracht werden, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen wie beim Trennen oder hinzuzugeben wie beim Fügen. Der Werkstoff behält seine Masse und seinen Zusammenhalt bei. Beim Trennen und Fügen wird die Masse und der Zusammenhalt dagegen vermindert beziehungsweise vermehrt. Umformen unterscheidet sich von Verformen dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Verformung ist eine ungezielte plastische Formänderung (z. B. beim Straßenverkehrsunfall). Die wichtigsten Fertigungsverfahren der Umformtechnik sind das Walzen, das Freiformschmieden, das Gesenkschmieden, das Fließpressen, das Strangpressen, das Tiefziehen und das Biegen. Die einzelnen Verfahren werden nach verschiedenen Kriterien zu Gruppen zusammengefasst. Nach der Dimension der Werkstücke wird unterschieden zwischen Massivumformung, Blechumformung und Drahtumformung. Nach der Temperatur wird unterschieden zwischen Kaltumformen, bei dem die Festigkeit der Werkstücke während der Bearbeitung zunimmt, und Warmumformen. In der DIN 8580 werden die Verfahren eingeteilt nach den mechanischen Spannungen, die in den Werkstücken wirken, in Druckumformen, Zugdruckumformen, Biegeumformen etc.

Nach dem Urformen wird der größte Teil der Werkstoffe durch Umformen zu Halbzeugen (Blechen, Drähten und anderen Profilen (beispielsweise Stäbe, Knüppel)) weiterverarbeitet. Für die Fertigung von Massenprodukten ist die weitere Umformung der Halbzeuge meist das wirtschaftlichste Verfahren.

Grundlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[1]

Metalle sind aus Kristalliten aufgebaut, deren Orientierung isotrop oder anisotrop ist. Plastische Formänderungen metallischer Werkstoffe erfolgen durch Fließen auf kristallographisch bevorzugten Gleitebenen und in bevorzugten Gleitrichtungen innerhalb der Kristallite. Gleitebenen und -richtungen sind abhängig vom Aufbau der Metalle und ihrer Gitterstrukturen (Metallgitter). Es werden kubisch raumzentrierte, kubisch flächenzentrierte oder hexagonale Gitterstrukturen unterschieden. Das Umformen der Metalle geschieht durch Wandern von Versetzungen (Translation) oder durch sog. Zwillingsbildung. Wandern beginnt, wenn eine angelegte Schubspannung die kritische Schubspannung überschreitet. Bei hexagonalem Aufbau der Metalle klappt das Gitter von einer Lage in eine andere Lage (Zwillingsbildung).

Es wird zwischen

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.[2]

Wenn aufgrund der Umformung die im Werkstoff wirksamen Spannungen die Schubfestigkeit oder Trennfestigkeit ungewollt übersteigen, kommt es zu Schiebungs- oder Trennungsbrüchen, die das Werkstück unbrauchbar machen. Entgegenwirken kann man diesem Werkstoffversagen durch eine angepasstere Umformung, d.h . einen geänderten Stadiengang oder eine Temperaturerhöhung des Werkstoffs.

Heutzutage ist ein großes Forschungsgebiet in der Umformtechnik, ähnlich wie in anderen Fachbereichen, die Simulation. Mit Hilfe von verschiedenen Programmen (meist auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode, beispielsweise Autoform oder LS-DYNA) werden Umformverfahren modelliert, berechnet und die Berechnungsergebnisse visuell dargestellt. Dies ermöglicht eine genauere Fehlerprognose bei der Herstellung der Bauteile sowie die Optimierung des Materialverbrauchs und der Prozessgestaltung.

Umformverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Es werden folgende Gruppen unterschieden:

Druckumformen nach DIN 8583[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

  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 und 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.
  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.

Zugdruckumformen nach DIN 8584[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

  1. Durchziehen Ziehen von Rohteilen durch hohle Werkzeuge. 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 oder Helme.
  3. Drücken Hierbei werden aus flachen Blechen rotationssymmetrische Hohlkörper hergestellt, beispielsweise Kochtöpfe.
  4. Kragenziehen
  5. Knickbauchen
  6. Innenhochdruckumformen

Zugumformen nach DIN 8585[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Umformen bei vorherrschender Zugbeanspruchung; Untergruppen:

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

Biegeumformen nach DIN 8586[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rundwalzen, Variante des Biegens mti drehender Werkzeug­bewegung

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

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

Schubumformen nach DIN 8587[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.

Weitere Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. [1] Grundlagen der Umformtechnik Prof. Mauk, IAM-2005
  2. König, Klocke: Fertigungsverfahren - Band 4: Umformen Springer, 5. Auflage S. 222f.