Grundlagen der Umformtechnik
Definition
Als Umformen wird im fertigungstechnischen Sinne das Hervorrufen einer plastischen Werkstoffverformung verstanden.
Einteilung der Umformverfahren
Bei der Einteilung der Verfahren der Umformtechnik haben sich folgende Unterscheidungskriterien als sinnvoll erwiesen:
- Verarbeitungstemperatur (Kaltumformen, Halbwarmumformen, Warmumformen)
- Gestalt des Rohlings (Blechumformen, Massivumformen)
- Erzeugte Spannung im Umformbereich (Zugumformen, Druckumformen, Zugdruckumformen, Biegeumformen, Schubumformen)
Vor- und Nachteile der Umformverfahren
Bedingt durch die Verfahrenstechnik der Umformung ergeben sich folgende Vor- und Nachteile.
Vorteile:
- hohe Werkstoffausnutzung
- geringe Fertigungszeit
- hohe Werkstückqualität (z.B. durch verbesserten Faserverlauf)
- ggf. erhöhte Festigkeit durch Kaltverfestigung
Nachteile:
- lange Einrichtzeiten
- hohe Fixkosten (Werkzeuge, Maschinen)
- hoher Energiebedarf
- unflexibel bei Teileänderungen
Werkstoffverhalten bei der plastischen Verformung
Bei der Umformung von Metallen wird im wesentlichen das Gleiten von Atomen im Kristallgitter des Metalls ausgenutzt. Das Gleiten um einen Atomabstand wird dabei als
so genannte Versetzung bezeichnet. Eine solche Versetzung wandert durch weitere Umformung bis zum Erreichen der Korngrenze bzw. bis zu einer weiteren Versetzung. Dieser Vorgang wird als Kaltverfestigung bezeichnet.
Die Kaltverfestigung von Metallen hat einen erhöhten Energieaufwand bei der Umformung zur Folge. Daher wird gegebenenfalls durch Zwischenerwärmung eine Kristallerholung (Platzwechselvorgänge von Atomen) oder eine Rekristallisation erreicht.
Berechnung der Fließspannung
Betrachtet man nun das Spannungs-Dehnungs-Diagramm, so ist bei der Umformtechnik insbesondere der plastische Bereich und hier die Fließspannung von Bedeutung.
kf = F/A
[N/mm2]
F...Kraft; A...momentane Querschnittsfläche
Umformgrad
Als entscheidende Größe bei der Beurteilung der Formänderung hat sich der Umformgrad etabliert. Er berechnet sich wie folgt:
φ = ln(l/l0)
l0...Länge vor der Umformung; l...Länge nach der Umformung
Hauptumformgrad
Für die Umformgrade in den Hauptachsen eines Körpers gilt:
φ1 + φ2 + φ3 = 0
Der betragsmäßig größte dieser drei Umformgrade wird als Hauptumformgrad φh bzw. φmax bezeichnet.
Umformkraft
Bei der Berechnung der Umformkraft soll zunächst auf die theoretische Zusammensetzung eingegangen werden.
F = Fid + FR + FB + FSch
Werkstoffanteil:
Fid...für die ideelle homogene Verformung
Verfahrensanteil:
FR...Überwindung der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück
FB...Überwindung der Verluste durch Biegung
FR...Überwindung der Verluste durch innere Schiebung
In der Praxis wird der Verfahrensanteil meist im Umformwirkungsgrad ηF zusammengefasst. Es ergeben sich daher für die beiden Formen der Krafteinleitung die folgenden Formeln:
- unmittelbare Krafteinleitung (z.B. Stauchen, Walzen, Recken)
mit Fid = A*kfmax
F = (A*kfmax)/ηF
- mittelbare Krafteinleitung (z.B. Stauchen, Walzen, Recken)
mit Fid = A*kfm*φh
F = (A*kfm*φh)/ηF
kfm...mittlere Fließspannung
Umformarbeit
Für die benötigte Umformarbeit wird die Fläche durch das Volumen des Werkstücks ersetzt.
mit Fid = V*kfm*φh
F = (V*kfm*φh)/ηF
oder näherungsweise über Kraft mal Weg:
W = Fm*s
Fm...mittlere aufgewendete Kraft