Grundlagen der Fertigungstechnik 2

Flansch:

• Zweiachsiger Spannungszustand aus radialer Zugspannung und tangentialer Druckspannung

Zarge:

• Primär einachsiger Zugsapnnungszustand

Boden:

• Ein geringer, zweiachsiger Zugspannungszustand, ähnlich dem Streckziehen. (Boden wird nach unten gedrückt durch den Stempel und über diesen gespannt)

Aggregatzustand des Ausgangsstoffs (Zustand des formlosen Materials):

• Flüssig

• plastisch (teigig)

• Körnig lder pulverförmig

• Gas oder Dampfförmig

Art der Form (Werkzeug):

• Verlorene Formen

• Dauerformen

Art der Formfüllung (Wirkprinzip):

• Schwerkraft

• Druck

• Zentrifugalkraft

Die Kraft nimmt zu.

Da bei zu schneller Umformung die Rekristallisation (findet statt weil Warm) nicht hinterher kommt. Diese benötigt Zeit da sie durch Diffusion erfolgt und führt bei ausreichender Zeit zu einer “Entfestigung". Durch zu hohe Geschwindigkeit bauen sich schneller Verfestigungen (Versetzumgen im Kristallgitter, Härtung) auf, als diese abgebaut werdne können.

In der Folge nimmt die nötige Kraft zu.

Ein klassisches Tiefziehwerkzeug (Erstzug) besteht primär aus vier Komponenten, die in einer Skizze wie folgt anzuordnen sind:

1. Ziehring (Matrize): Das hohle Unterteil, in das das Blech gezogen wird.

2. Stempel: Das zylindrische Oberteil, das die Umformkraft aufbringt und das Blech in die Matrize drückt.

3. Niederhalter: Ein Ring, der von oben auf den Rand des Blechzuschnitts drückt, um Faltenbildung erster Art zu verhindern.

4. Ronde (Blechzuschnitt): Das Ausgangsmaterial, das sich zwischen Ziehring und Niederhalter befindet und in die Matrize gezogen wird.

1. Im Flansch: Hier herrscht ein radialer Zugspannungszustand (durch das Hineinziehen in die Matrize) überlagert von einem tangentialen Druckspannungszustand (da der Umfang der Ronde beim Einziehen verkleinert wird). Dieser Druck ist die Ursache für mögliche Faltenbildung.

2. In der Zarge (Wand): Hier liegt primär ein einachsiger Zugspannungszustand in Längsrichtung vor, da die Zarge die Umformkraft vom Stempelboden in den Flansch übertragen muss.

3. Im Boden: Hier herrscht ein zweiachsiger (biaxialer) Zugspannungszustand, da der Stempel das Blechmaterial über die Stempelrundung spannt und nach außen dehnt.

Auswirkung auf die Kraft: Die Umformkraft steigt deutlich an.

Begründung: Bei der Warmumformung (oberhalb der Rekristallisationstemperatur) finden gleichzeitig zwei konkurrierende Prozesse statt: die Verfestigung (durch Zunahme der Versetzungsdichte) und die Entfestigung (durch thermisch aktivierte Erholung und Rekristallisation). Entfestigungsvorgänge sind stark zeitabhängig. Wenn die Umformgeschwindigkeit stark erhöht wird, hat der Werkstoff weniger Zeit zu rekristallisieren. Folglich dominiert die Verfestigung, die Fließspannung steigt, und der Prozess erfordert eine höhere Umformkraft.

Das Napfrückwärtsfließpressen wird typischerweise wie folgt skizziert:

1. Matrize (Aufnehmer): Das umschließende Werkzeug, das die Außenform des Napfes vorgibt.

2. Fließpressstempel: Drückt von oben auf das Rohteil. Sein Durchmesser ist kleiner als der der Matrize.

3. Rohteil (Butzen): Das zu formende Material, das durch den Druck des Stempels plastifiziert wird.

4. Auswerfer (Gegenstempel): Befindet sich am Boden der Matrize und drückt das fertige Werkstück nach der Umformung heraus.

Verfahrensprinzip: Der Stempel drückt auf das eingesperrte Material. Da es nicht nach unten entweichen kann, fließt das Material durch den Ringspalt zwischen Stempel und Matrize entgegen der Stempelbewegungsrichtung nach oben ab ("rückwärts").

Beim Innenhochdruckumformen herrscht in der Wandung des Bauteils (z. B. Rohr oder Blechpaar) überwiegend ein zweiachsiger Zugspannungszustand (biaxialer Zug), hervorgerufen durch die Ausdehnung des Materials infolge des hohen inneren Fluiddrucks.

1. Bersten / Platzen: Wenn der Innendruck im Verhältnis zum Materialnachschub zu hoch gewählt wird, überschreitet die resultierende Spannung die Zugfestigkeit des Werkstoffs. Die Wand dünnt zu stark aus und das Bauteil reißt auf.

2. Faltenbildung: Wenn die von den Axialzylindern aufgebrachte Nachschubkraft (Axialkraft) zu hoch ist oder der Innendruck zu gering ist, staucht sich das Material im Führungsbereich auf, knickt aus und bildet unerwünschte Falten, die sich nicht mehr glattziehen lassen.

Antwort: Das Blech mit dem niedrigeren E-Modul wird stärker zurückfedern.

Grafische und physikalische Begründung:

Die Rückfederung resultiert aus dem Abbau der elastischen Spannungen nach der Entlastung des Bauteils. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm erfolgt die Entlastung parallel zur Hooke'schen Geraden (der lineare elastische Anstieg am Anfang der Kurve).

Da beide Werkstoffe auf den gleichen Radius gebogen werden (gleiche Gesamtdehnung) und die gleichen Fließeigenschaften (gleiche Spannung $\sigma$) besitzen, beginnt die Entlastung für beide am selben Punkt der Fließkurve.

Der elastische Anteil der Dehnung berechnet sich nach dem Hooke'schen Gesetz:

$$\varepsilon_{el} = \frac{\sigma}{E}$$

Ein niedrigerer E-Modul bedeutet eine flachere Hooke'sche Gerade im Diagramm. Bei der parallelen Rückverschiebung aus dem Fließpunkt legt die flachere Gerade eine längere Strecke auf der Dehnungs-Achse (x-Achse) zurück. Somit ist die elastische Rückdehnung ($\varepsilon_{el}$) – und damit die messbare Rückfederung am Bauteil – beim Werkstoff mit dem kleineren E-Modul geometrisch bedingt größer.

Eine Stufenversetzung wird klassischerweise als ein regelmäßiges Atomgitter (z. B. gezeichnet als ein Raster aus Kreisen) dargestellt, in das von oben eine zusätzliche Atom-Halbebene eingeschoben ist. Das untere Ende dieser eingeschobenen Halbebene bildet die eigentliche Versetzungslinie (in der Literatur oft mit dem Symbol „⊥“ gekennzeichnet). Im direkten Umfeld dieses Bereichs ist das Atomgitter lokal stark verzerrt.

Warum lässt sich ein metallischer Werkstoff leichter umformen als ein perfekter Einkristall? Um einen perfekten Einkristall plastisch abzuscheren, müssten alle atomaren Bindungen entlang einer Gleitebene gleichzeitig aufgebrochen und nach der Verschiebung um einen Atomabstand neu geknüpft werden. Dies erfordert eine extrem hohe theoretische Schubspannung.

Reale metallische Werkstoffe enthalten jedoch immer Gitterbaufehler, vor allem Versetzungen. Bei mechanischer Belastung (Umformung) müssen nicht alle Bindungen einer Gleitebene auf einmal getrennt werden. Stattdessen "wandert" die Stufenversetzung schrittweise durch das Kristallgitter. Dabei wird immer nur eine Atomreihe nach der anderen umgeklappt und neu verbunden. (Ein gängiges Modell hierfür ist das Verschieben eines schweren Teppichs: Anstatt den ganzen Teppich auf einmal zu ziehen, schiebt man eine kleine Falte hindurch). Dieser Mechanismus der Versetzungsbewegung erfordert nur einen Bruchteil der Energie, wodurch die reale Fließspannung (Streckgrenze) eines Metalls weit unter der theoretischen Festigkeit eines perfekten Kristalls liegt.

Der qualitative Kurvenverlauf für einen typischen duktilen metallischen Werkstoff beginnt mit einer steilen, linearen Geraden (Hooke'scher Bereich, rein elastisch). Danach flacht die Kurve ab (Beginn der plastischen Verformung) und steigt bogenförmig durch Kaltverfestigung bis zu einem Maximum an. Nach diesem Maximum fällt die Kurve ab, da sich die Probe lokal einschnürt, bis sie schließlich bricht.

Einzuzeichnende Kenngrößen:

1. Streckgrenze ($R_e$): Zu finden am Ende der linearen Steigung auf der y-Achse. Es ist die Spannung, bei der die Hooke'sche Gerade verlassen wird und die irreversible plastische Verformung (das Fließen) beginnt. (Hinweis: Hat der Werkstoff keine ausgeprägte Streckgrenze, wird stattdessen die Dehngrenze $R_{p0,2}$ eingezeichnet).

2. Zugfestigkeit ($R_m$): Der höchste Punkt (das Maximum) der Kurve, projiziert auf die y-Achse. Dies ist die maximale Spannung, die das Bauteil bezogen auf den Ausgangsquerschnitt ertragen kann, bevor die lokale Einschnürung beginnt.

3. Gleichmaßdehnung ($A_g$): Dieser Punkt wird auf der x-Achse (Dehnung) markiert und liegt exakt lotrecht unter dem Maximum der Zugfestigkeit ($R_m$). Bis zu dieser Dehnung verformt sich die Probe über ihre gesamte Messlänge gleichmäßig.

4. Bruchdehnung ($A$): Der allerletzte Punkt der Kurve im Moment des Versagens, lotrecht nach unten auf die x-Achse projiziert. Er markiert die maximal erreichte bleibende plastische Dehnung nach dem Bruch.

Beim Walzen herrscht in der Umformzone überwiegend ein dreiachsiger Druckspannungszustand. Der Werkstoff wird durch die Walzkraft gestaucht, während gleichzeitig Längs- und Querspannungen (durch Reibung und Materialverdrängung) als Druckspannungen wirken.

1. Zeichne zwei sich gegenläufig drehende kreisrunde Walzen (Ober- und Unterwalze).

2. Das Blech läuft von links (mit Dicke $h_0$) in den Walzspalt ein und verlässt ihn rechts (mit reduzierter Dicke $h_1$).

3. Hauptumformzone: Der Bereich des Bleches, der direkten Kontakt mit beiden Walzen hat (vom Eintrittspunkt bis zum Austrittspunkt der Walze). Dieser Bereich wird im Schnitt schraffiert.

4. Stichabnahme ($\Delta h$): Die Differenz der Blechdicke vor und nach dem Walzen. Sie wird eingezeichnet als vertikaler Höhenunterschied an der Oberfläche:

   $$\Delta h = h_0 - h_1$$

Um die unerwünschte ballige Verformung des Walzguts (Mitte dicker als die Ränder) durch durchbiegende Walzen zu verhindern, gibt es folgende konstruktive und prozesstechnische Möglichkeiten:

1. Balligschleifen der Walzen (Bombieren): Die Arbeitswalzen werden nicht exakt zylindrisch, sondern in der Mitte leicht dicker (ballig) geschliffen. Biegen sie sich unter der Walzkraft durch, gleicht sich die Geometrie zu einem parallelen Walzspalt aus.

2. Einsatz von Stützwalzen (z. B. Quarto-Gerüst): Die relativ dünnen Arbeitswalzen werden durch massivere, größere Stützwalzen (die darüber und darunter angeordnet sind) gegen Durchbiegung abgestützt.

3. Walzenbiegen (Gegenbiegung): Über Hydraulikzylinder werden an den Walzenzapfen gezielt Biegemomente aufgebracht, die der durch die Walzkraft entstehenden Durchbiegung entgegenwirken (aktive Spaltbeeinflussung).

Typische Verfahrensgruppen nach DIN 8583 sind:

1. Recken: Verlängern eines Werkstücks bei gleichzeitiger Querschnittsverringerung.

2. Stauchen: Verringern der Höhe eines Werkstücks bei gleichzeitiger Querschnittsvergrößerung (z. B. zur Herstellung von Flanschen).

3. Lochdornen (oder Absetzen/Breiten): Einbringen eines Loches mit einem Dorn in das massive Werkstück.

1. Massenverteilen: Vorformen des Rohteils (z. B. durch Recken oder Reckwalzen), um das Material dorthin zu bringen, wo es später im Gesenk gebraucht wird.

2. Vorformen (Vorschmieden): Annäherung an die Endkontur in einem Vorschmiedegesenk. Hier wird das Material grob in die Kavität gedrückt.

3. Fertigschmieden: Das Schmieden in der finalen Gravur (Fertiggesenk). Hierbei füllt der Werkstoff die Ecken vollständig aus; überschüssiges Material fließt in den Gratspalt.

4. Abgraten: Das mechanische Abtrennen des beim

1. Konventionelles Scherschneiden:

   • Komponenten: Schneidstempel, Niederhalter (optional), Blech, Schneidplatte (Matrize).

   • Prinzip: Relativ großer Schneidspalt (ca. 5-10% der Blechdicke). Der Stempel drückt das Blech in die Matrize, das Material wird erst plastisch verformt und reißt dann schlagartig ab.

2. Feinschneiden:

   • Komponenten: Schneidstempel, Niederhalter mit Ringzacke, Blech, Schneidplatte, Gegenstempel.

   • Prinzip: Extrem kleiner Schneidspalt (ca. 0,5% der Blechdicke). Die Ringzacke presst sich in das Blech und erzeugt hohe Druckspannungen (verhindert das Fließen nach außen). Der Gegenstempel drückt von unten gegen das Blech. Das Material wird durch diesen extremen Druckspannungszustand am Reißen gehindert und fließt rein plastisch abgeschert ab.

1. Konventionelles Scherschneiden: Die Schnittfläche besteht nur zu ca. 30 % aus einem glatten Glattschnittanteil. Der restliche Bereich (ca. 70 %) ist eine raue, gerissene Bruchzone. Zudem weist das Bauteil einen deutlichen Kanteneinzug auf der Stempelseite und einen starken Grat auf der Austrittsseite auf. Die Schnittfläche ist oft leicht schräg (Schnittwinkel).

2. Feinschneiden: Die Schnittfläche besteht zu 100 % aus Glattschnitt (keine raue Bruchzone oder Ausrisse). Die geschnittene Kante ist exakt rechtwinklig zur Blechoberfläche. Es gibt kaum Kanteneinzug und nur eine sehr feine Gratbildung, was eine Nachbearbeitung meist überflüssig macht.

1. Bleche zeichnen: Zeichnen Sie zwei Bleche, die flach aufeinanderliegen.

2. Die Vertiefung (Napf): Zeichnen Sie eine napfförmige, topfartige Vertiefung, die durch den Stempel nach unten in die Matrize gedrückt wurde.

3. Die Materialausbreitung am Boden: Am Boden dieser Vertiefung muss das Material beider Bleche bauchig zur Seite (radial) ausfließen. Der Boden ist also breiter als der "Hals" der Vertiefung.

4. Hinterschnitt einzeichnen (WICHTIG): Der Hinterschnitt ist der entscheidende Mechanismus beim Clinchen. Er befindet sich dort, wo das obere Blech (stempelseitig) in die Breite geflossen ist und sich formschlüssig unter das Material des unteren Blechs geschoben hat.

   • Kennzeichnung: Ziehen Sie eine vertikale Hilfslinie an der engsten Stelle des Halses nach unten. Der horizontale Bereich am Boden, um den das fließende Material breiter ist als diese Halslinie, ist der Hinterschnitt (auch Interlock genannt). Markieren Sie dieses Maß mit Maßpfeilen und dem Begriff "Hinterschnitt".

Ein liegender einfacher Falz (oft auch einfacher Zugfalz genannt) verbindet zwei Blechränder formschlüssig und flach.

1. Blech 1 (von links): Zeichnen Sie ein Blech, das von links kommt, am Ende um 180° nach oben (und zurück) gebogen wird und einen offenen Haken bildet.

2. Blech 2 (von rechts): Zeichnen Sie ein zweites Blech, das von rechts kommt, am Ende um 180° nach unten (und zurück) gebogen wird.

3. Das Verhaken: Die beiden gebogenen Enden greifen in der Skizze ineinander (wie zwei Hände, die sich an den Fingern festhalten).

4. Flachpressen: Der gesamte hakenförmige Bereich ist flach auf die Ebene der Bleche heruntergepresst (daher "liegend").

5. Kontrolle: In der fertigen Querschnittsskizze müssen an der Verbindungsstelle genau vier Blechlagen direkt übereinanderliegen.

Umformen ist die gezielte Änderung der Form, der Oberfläche und der Werkstoffeigenschaften eines Werkstücks unter Beibehaltung von Masse und Stoffzusammenhang.

Umformen ist Fertigen durch plastische Verformung fester Körper.

-> Urformen

-> Umformen

-> Fügen

-> Trennen

-> Beschichten

-> Stoffeigenschaften ändern

Nach einer elastischen Verformung nehmen Werkstücke ihre ursprüngliche Form wieder an.

Nach einer plastischen Verformung behalten die Werkstücke ihre neue Form nach Entlastung bei.

Ein Werkstoff ist gut umformbar, wenn bei geringer Spannung eine starke bleibende Dehnung erfolgt. Die Bruchdehnung eines Werkstoffes ist ein Maß für seine Umformbarkeit.

Ein kalt umgeformtes Gefüge bildet oberhalb der Rekristallisationstemperatur ein neues Gefüge.

Metallische Werkstoffe lassen sich bei hohen Temperaturen leichter umformen als bei Raumtemperatur.

Eine Kaltumformung führt zu einer Verfestigung metallischer Werkstoffe. Die Festigkeit und Härte des umgeformten Werkstoffes steigen an, und die Umformbarkeit sinkt.

Biegemoment = Biegekraft x Hebelarm

Beim Biegen wird der äußere Werkstoffbereich gestreckt und der innere gestaucht. Die mittlere Schicht behält ihre Ausgangslänge und wird neutrale Faser genannt.

Beim Biegen wirken im Streckbereich Zugspannungen, im Stauchbereich Druckspannungen.

Die neutrale Faser Ist frei von Spannungen.

Beim Umformen durch Biegen treten bei Metallen gleichzeitig elastische und plastische Verformung auf. Daher federt das Werkstück nach Entlastung um den Betrag der elastischen Verformung zurück.

Gewalzte Werkstoffe haben faserähnlichen Aufbau. Die Faserrichtung Entspricht der Walzrichtung. Die Festigkeit ist in Walzrichtung größer als quer zur Walzrichtung.

Aluminium blank / eloxiert

• Kühlbleche für die Unterhaltungselektronik

• Scheiben und Ziehteile Kupfer

– Dichtscheiben

– Kühlbleche Messing

• Kontaktstifte für die Elektro und Elektronikindustrie Bronze

– Kontaktfedern für die Elektroindustrie

Beim freien Biegen von Rohren werden Querschnittsveränderungen durch Füllungen vermieden.

Beim Schmieden werden metallische Werkstücke durch Druckkräfte umgeformt. Dabei werden die Festigkeitseigenschaften des Schmiedestücks verbessert.

Die Schmiedeanfangstemperatur ist hoch zu wählen, um den Umformwiderstand klein zu halten und einen großen Temperaturbereich zum Schmieden zu nutzen.

Massivumformung:

Überführung der gegebenen Form eines festen Körpers in eine andere Form, bei der der Werkstoff, bei teils sehr großen Querschnitts- und Wanddickenänderungen, in alle Richtungen verteilt wird.

Blechumformung:

Überführung der gegebenen Form eines festen Körpers in eine andere Form bei der aus flächenhaft zu beschreibenden Rohteilen Hohlwerkstücke mit annähernd konstanter Wanddicke erzeugt werden.

Plastische Verformung besteht in einem sukzessiven Wandern von Versetzungen unter der Wirkung von Schubspannungen.

Werkstoffe: In der Regel werden in der Umformtechnik Werkstücke aus Metall, bzw. aus schmelzmetallurgisch oder pulvermetallurgisch hergestellten Metall-Legierungen oder Verbundwerkstoffe verarbeitet.