Handbuch Umformen

Die Anfänge der umformenden Fertigungsverfahren sind mit der Erkenntnis verbunden, dass sich bestimmte Werkstoffe unter der Einwirkung gezielter äußerer Kräfte in gewünschter Weise umformen lassen. Aus den Erfahrungen im Umgang mit Werkstoffen unterschiedlichen Umformverhaltens entwickelte der Mensch in der Metallzeit erste Stufen einer umformenden Metallbearbeitung (Spur 1979).

Kennzeichnendes Merkmal der Metalle ist ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und ihr hohes bleibendes Formänderungsvermögen. Die Ursachen hierfür liegen in ihrem atomaren Verhalten. Zwischen den Atomen von Festkörpern existieren unterschiedliche Bindungsarten wie z.B. die Ionenbindung, die Atombindung und die Metallbindung. Den positiven Ladungen des Atomkerns stehen die negativen Ladungen der Elektronen, die in Schalen um den Atomkern angeordnet sind, gegenüber. Typisch für Metalle ist, dass ihre Atome relativ leicht Elektronen abgeben, die nicht an ein spezielles Atom gebunden sind. Diese ungebundenen negativ geladenen Valenzelektronen bilden eine Art Elektronengas, das eine ungerichtete Bindung mit den verbliebenen positiven Atomrümpfen eingeht (Abb. 2.1).

Das Walzen gehört nach (DIN 8583-1) zu den Druckumformverfahren, ebenso wie Freiformen, Gesenkformen, Eindrücken und Durchdrücken. Nach (DIN 8583-2) ist es zudem folgendermaßen definiert: „Stetiges oder schrittweises Druckumformen mit einem oder mehreren sich drehenden Werkzeugen (Walzen), ohne oder mit Zusatzwerkzeugen, z.B. Stopfen oder Dorne, Stangen, Führungswerkzeuge.“

Nach DIN 8584 gehört das Durchziehen zu den Zugdruckumformverfahren. Die dieser Gruppe zugeordneten Verfahren sind grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangswerkstück durch ein sich in Ziehrichtung verengendes Werkzeug mit zumeist geschlossener Kontur hindurch gezogen wird. Das Werkstück erfährt dabei eine definierte Querschnittsänderung. Abhängig von der Ausgangs- und Endwerkstückgeometrie sowie der zur plastischen Formgebung zur Anwendung kommenden Werkzeug- und Betriebsmittelkonfiguration werden dabei die Hauptverfahrensvarianten des Gleitziehens und Walzziehens mit entsprechenden Derivaten unterschieden (Doege 2007; Fritz 2006; Lange 1988) (Abb. 4.1).

Zugumformen ist nach DIN 8585-1 das Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im Wesentlichen durch eine einoder mehrachsige Zugbeanspruchung herbeigeführt wird. Unterschieden wird zwischen den Verfahren Längen, Weiten und Tiefen, die nachfolgend vorgestellt werden.

Nach DIN 8586 (DIN 1971) ist das Biegen bzw. Biegeumformen das Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im Wesentlichen durch eine Biegebeanspruchung herbeigeführt wird. Neben metallischen Werkstoffen eignen sich prinzipiell auch alle anderen umformbaren Werkstoffe für das Biegen.

Schubumformen ist nach DIN 8587 das Umformen eines festen Körpers, wobei der plastische Zustand im Wesentlichen durch eine Schubbeanspruchung herbeigeführt wird (DIN 8587). Im Vergleich zu anderen Gruppen der Umformverfahren umfasst die Gruppe des Schubumformens nur wenige Verfahren mit relativ geringer Anwendung und industrieller Bedeutung (Jahnke et al. 1978; Lange 2002; Mauk 2005). Bei den Verfahrensprinzipien dieser Gruppe unterscheidet man zwischen Verschieben (Schubumformen mit geradliniger Werkzeugbewegung, Abb. 7.1) und Verdrehen (Schubumformen mit drehender Werkzeugbewegung, Abb. 7.2). Da beim Schubumformen der Faserverlauf im Werkstück weitestgehend erhalten bleibt, werden die mechanischen Eigenschaften günstig beeinflusst. Daher werden diese Verfahren vorwiegend bei der Herstellung von Kurbelwellen eingesetzt. Für den späteren Einsatz der durch diese Verfahren hergestellten Bauteile ist es besonders wichtig, dass der Faserverlauf im Werkstück nicht unterbrochen wird (Klocke, König 2006).

Der Begriff „Mikroumformtechnik” wird in der wissenschaftlichen Literatur für zahlreiche Verfahrensvarianten verwendet, bei denen die gefertigten Bauteile verglichen mit der üblichen Größe relativ klein sind. Eine Definition haben Geiger et al. (Geiger 2001) vorgenommen, in dem sie das Mikroumformen als die umformtechnische „Herstellung von Bauteilen oder Strukturen mit mindestens zwei Dimensionen im Submillimeterbereich” bezeichnen. Damit umfasst das Mikroumformen nicht nur die Herstellung entsprechend kleiner Einzelbauteile, sondern auch die Herstellung von entsprechend kleinen Strukturelementen an größeren Bauteilen. Diese Zusammenfassung von Bauteilen und Strukturelementen findet ihre Berechtigung darin, dass die Verhältnisse hinsichtlich des Werkstoffverhaltens und der Tribologie in beiden Fällen als ähnlich anzunehmen sind. Anwendungsfelder wie z. B. die Mikroelektronik benötigen nicht nur Mikroteile, wie sie in Form verschiedener tiefgezogener Näpfe in Abbildung 8.1 gezeigt sind, sondern auch Biegeteile wie z. B. Leadframes oder Kontaktfedern, die in ihren Dimensionen in die genannte Größenordnung kommen und bei der Herstellung entsprechende Probleme aufwerfen.

Die Hochgeschwindigkeitsumformung ist der Oberbegriff für die seit vielen Jahren bekannten und praktizierten Verfahren zur Realisierung hochdynamischer Umformoperationen mit schlagartiger Umsetzung einer gespeicherten Energiemenge. Sie wird u. a. zur Formgebung von Bauteilen der Blech- und Massivumformung, zum form- und stoffschlüssigen Fügen sowie Plattieren, aber auch zum Trennen oder zum Ändern von Werkstoffeigenschaften eingesetzt. Ihr werden all jene Verfahren zugeordnet, bei denen Werkstoffe unter extrem hohen Geschwindigkeiten umgeformt werden. Eingeteilt nach der Art der Energieübertragung, ergibt sich die in Abbildung 9.1 auf der folgenden Seite dargestellte Verfahrensübersicht.

Da nahezu jedes Bauteil im Laufe seiner Fertigungskette als Rohteil aus dem Halbzeug zugeschnitten und nach Abschluss der Umformoperationen als Fertigteil beschnitten werden muss, zählen Trennverfahren zu den wirtschaftlich bedeutendsten Fertigungsverfahren. Die hier behandelte Verfahrensgruppe Zerteilen, die das mechanische Trennen von Werkstücken ohne Entstehen von formlosem Stoff, also das spanlose Trennen beschreibt, ist nach DIN 8580 der Hauptgruppe der Trennverfahren untergeordnet. Nach DIN 8588 sind der Gruppe Zerteilen die Untergruppen Scherschneiden, Messerschneiden, Beißschneiden, Spalten, Reißen und Brechen zugeordnet (Abb. 10.1). In der Praxis werden das Wasserstrahlschneiden und thermische Schneidverfahren gelegentlich im Rahmen des Zerteilens behandelt. Nach DIN 8590 gehören diese jedoch den Verfahrensgruppen 3.3 „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden” und 3.4 „Abtragen” an.

Die Präzisionswerkzeugindustrie ist in Deutschland mit einem Umsatz von über 8 Mrd. Euro und über 70.000 Beschäftigten einer der größten Fachzweige des Maschinenbaus. Ihr Exportanteil liegt bei über 45 Prozent. Sie umfasst derzeit etwa 4.800 hauptsächlich klein und mittelständische Unternehmen, die in langer Tradition ein ausgeprägtes Wissen in der Werkzeugfertigung aufgebaut haben. Als Hersteller von Betriebsmitteln für ein weit gefächertes Produktspektrum von einfachen Gebrauchsgegenständen über Produkte mit höchst anspruchsvollem Design bis hin zu hochfunktionalen Geräten bietet der Werkzeugbau die Basis für eine effiziente und hochwertige Produktion. Er deckt dabei die Bereiche der Automobilindustrie, den Konsumgüterbereich (wie z. B. Werkzeuge für Verpackungen, Haushaltsgeräte) sowie die Anlagentechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik ab.