Umformtechnik meistern: Wichtige Verfahren und ihre Mechanik

Einführung in die Umformverfahren

Wir haben die grundlegenden Umformverfahren kurz beschrieben und analysiert. Der Leser sollte nun eine Vorstellung von den Prozessen und insbesondere ihrer Mechanik haben. Es existieren jedoch viele kleinere und größere Varianten. Dieser Artikel behandelt einige davon mit den zugehörigen technologischen Aspekten.

Verfahren 1: Walzen

Der endgültige Querschnitt wird selten in einem Schritt erreicht. Meist erfolgt das Walzen in mehreren Durchgängen mit unterschiedlichen Walzgerüsten, kontinuierlich. Die gesamte Anlage heißt Walzwerk. Beim Walzen von Flachbändern können aufeinanderfolgende Stufen mit demselben Walzenpaar gefahren werden.

Die obere Walze wird normalerweise zur Spaltverstellung nach jedem Durchgang angepasst. Um Materialhandling zu minimieren, ist eine Umkehr der Walzdrehrichtung wünschenswert – das Werkstück bewegt sich bei aufeinanderfolgenden Durchgängen hin und her. Ein Dreiwalzen-Gerüst kann den Platzbedarf optimieren.

Warmwalzen und Durchlaufwalzwerke

Beim Warmwalzen muss die Zeit zwischen den Durchgängen minimiert werden, da das Werkstück kontinuierlich abkühlt. Dies ist ein wesentlicher Layout-Aspekt. Stützrollen erleichtern den Werkstücktransport. Bei langen, biegsamen Werkstücken kann ein Dreiwalzen-Gerüst mit einer Vorrichtung für den zweiten Durchgang ausgestattet werden, bevor der erste abgeschlossen ist – ein sogenanntes Schlingenwalzwerk.

Die Schlinge kann mechanisch durch ein gebogenes Rohr oder eine Rinne (Wiederholer) geführt werden. Ein kontinuierliches Mehrfach-Walzen ist auch durch räumlich nah angeordnete Walzgerüste mit aufeinanderfolgenden Passungen möglich.

Walzkraft und Walzbiegung

Bei gegebener Querschnittsverringerung (Auszug) steigt die Walztrennkraft, die die Walzen biegt, linear mit dem Walzenradius R (Gleichung 3.20). Große Arbeitswalzen sind daher nicht wirtschaftlich, um die Biegung zu beherrschen. Besser und wirtschaftlicher: Stützwalzen (Backup Rolls).

Zwei Methoden der Stützwalzennutzung sind üblich. Da die Walztrennkraft vom Radius der Arbeitswalzen abhängt, werden diese klein gehalten, während Stützwalzen einen größeren Radius für höhere Steifigkeit erhalten.

Ein gewisses Maß an Walzbiegung ist unvermeidbar, lässt sich aber durch gewölbte Walzen (konvexe Wölbung, Abb. 3.36a) kompensieren: Unter Last biegen sie sich durch und erzeugen einen gleichmäßigen Spalt (Abb. 3.36b). Ohne Wölbung wäre das gewalzte Band in der Mitte dicker (Abb. 3.36c). Die Durchbiegung in der Mitte bei Betrachtung als kurzer, dicker Balken mit freier Auflagerung an den Enden beträgt ...

Typische Werte für λ₁ und λ₂: 1,0 und 0,2 bei Bandbreite l, 0,5 und 0,1 bei Bandbreite l/2.

Ausgangsmaterial und Walzenwerkstoffe

Das Eingangsmaterial (Bloom oder Knüppel, je nach Größe) hat rechteckigen Querschnitt. Für andere Profile sind mehrere Durchgänge mit Formwalzen nötig, deren Geometrie sich allmählich ändert (z. B. von quadratischem Knüppel zu rundem Draht, Abb. 3.37).

Walzen bestehen aus Guss- oder Schmiedestahl. Legierte Gusseisen senken Kosten. Speziallegierungen bieten höhere Festigkeit und Steifigkeit, sind aber teurer. Warmwalzen werden angeraut (manchmal genutet) für guten Biss, Kaltwalzen geschliffen für feine Oberflächen.

Hauptparameter des Walzens

Temperaturbereich (Warmwalzen), Walzgeschwindigkeitsplan, Aufteilung des Auszugs auf die Durchgänge. Alle beeinflussen Maßgenauigkeit, physikalische und mechanische Eigenschaften des Produkts.

Verfahren 2: Schmieden

Es gibt viele Varianten des Grundschmiedens, die gängigsten:

(i) Freiformschmieden (Schmiedeschmieden)

Eines der ältesten Metallbearbeitungsverfahren. Ein heißes Werkstück wird mit handgeführten Werkzeugen und Hämmern in Form gebracht. Heute kommen kraftbetriebene Hämmer zum Einsatz. Amboss und Hammer sind meist flach; die gewünschte Form (in begrenzter Vielfalt) entsteht durch Manipulation des Werkstücks zwischen den Schlägen.

(ii) Gesenkschmieden (Fallschmieden)

Stoßbelastungen (Hammerschläge) bewirken den Materialfluss zum Ausfüllen der von den zwei Gesenkhälften gebildeten Kavität. Zur Sicherung des vollständigen Ausfüllens wird Materialüberschuss vorgesehen, der als Grat ausfließt und anschließend beschnitten wird. Bei komplexer Geometrie sind mehrere Gesenkstufen nötig.

(iii) Pressschmieden

Statt wiederholter Schläge wirkt eine allmähliche Kraft. Auch hier können mehrere Gesenkstufen erforderlich sein. Die Ausrichtung der Gesenkhälften ist weniger problematisch als beim Fallschmieden. Da der Vorgang in einem Hub abgeschlossen ist, muss für Luftentweichung und überschüssiges Schmiermittel gesorgt werden.

(iv) Aufschmieden (Upsetting)

Oft muss nur ein Teil des Werkstücks geschmiedet werden (z. B. Schraubenkopf an Stangenende). Diese lokale Operation heißt Aufschmieden. Sie kann im offenen oder geschlossenen Gesenk erfolgen (Abb. 3.38a/b). Es handelt sich um eine Längsdruckbeanspruchung des Stabes.

Zur Verhinderung von Knicken gelten Regeln für die ungestützte Länge l (Stabdurchmesser d):
(a) Offener Betrieb: l ≤ 3·d
(b) l > 3·d: geschlossener Betrieb mit Gesenkdurchmesser D ≤ 1,5·d
(c) Geschlossener Betrieb, ungestützte Länge ragt um l₁ über Gesenkkavität hinaus (Abb. 3.38c): l₁ ≤ d

(v) Rotationsschmieden (Swaging)

Spezielle Variante des Schlagschmiedens: wiederholte Schläge durch radiale Bewegung geformter Matrizen. Verwendet zum Verringern von Durchmessern und Anspitzen von Stäben und Rohren.

(vi) Walzschmieden (Roll Forging)

Zwei halbkreisförmige, genutete Walzen an parallelen Wellen. Verwendet zum Durchmesserreduzieren von Stäben. Das erhitzte Werkstück wird in offener Stellung zwischen die Matrizen gelegt. Nach einer halben Walzenumdrehung wird es herausgewalzt, in die nächstkleinere Nut gelegt, und der Vorgang fortgesetzt bis zur Enddimension.

Gesenkauslegung – kritischer Erfolgsfaktor

Das Gesenk ist eine der kritischsten Komponenten; der Prozesserfolg hängt maßgeblich von seiner Auslegung ab. Wesentliche Merkmale (siehe Abb. 3.41):

• Ausreichender Radius an Kanten für leichten Materialfluss, Vermeidung von übermäßigem Gesenkverschleiß und Rissbildung.
• Angemessener Ausformschrägen an allen senkrechten Flächen für leichtes Entformen (wie bei Gussmodellen).
• Platz für Gratbildung (Flash) an den Gesenkkanten, idealerweise mit Gratrille.

Beim Warmschmieden müssen Gesenkmaße Schrumpfmaß (Kontraktion nach Abkühlung) enthalten, da meist keine nachträgliche Gesamtbearbeitung erfolgt. Gesenke bestehen aus hoch- oder mittelkohlenstoffhaltigem Legierungsstahl (Härte 45–60 HRC).

Verfahren 3: Ziehen

Hauptsächlich zum Durchmesserreduzieren von Stäben und Drähten. Ziehgeschwindigkeit: 10 m/min (große Durchmesser) bis 1800 m/min (feinste Drähte). Startende wird vorgestaucht für leichteres Einführen in die Ziehmatrize. Beginn bei niedriger Geschwindigkeit zur Vermeidung von Stoßbeanspruchung. Bei großen Verformungen mehrere Durchgänge. Durch Kaltverfestigung entsteht Wärme – Matrizenkühlung mit Wasser nötig. Auch Rohre können gezogen werden (Sinken).

Große Matrizen: hochkohlenstoffhaltiger Stahl oder HSS. Mittlere: Hartmetall. Feindrähte: Diamantmatrizen.

Verfahren 4: Tiefziehen

Die Mechanik zeigt: Das Blech sollte so weit wie möglich in das Gesenk gezogen werden, um Wandverdünnung zu minimieren. Der äußere Umfang des Zuschnitts verringert sich, es entsteht Druckringspannung, die bei Überschreitung einer Grenze zu plastischer Faltenbildung am Flansch führt. Diese Falten lassen sich nachträglich nicht glätten, aber durch einen Blankhalter vermeiden.

Zu hoher Blankhalterdruck behindert jedoch das Ziehen. Ist der Ziehkoeffizient (r_j/r_d) ≤ 1,2, kann ohne Blankhalter gearbeitet werden. Höhere Werte sind je nach Zuschnittdicke und Gesenkprofil möglich (Abb. 3.43).

Bei zu großem Verhältnis von Zuschnitt- zu Endbecherdurchmesser erfolgt der Prozess in mehreren Stufen (Nachziehen). Abb. 3.44a/b zeigen typische Nachziehoperationen. Abb. 3.44b nennt man Rückwärtsnachziehen, da der gezogene Becher umgekehrt wird. Dies wirkt wie eine stärkere Umformung, tatsächlich ist es jedoch schonender: Beim konventionellen Nachziehen (Abb. 3.44a) biegt das Material in entgegengesetzte Richtungen um Blankhalter- und Gesenkecken. Beim Rückwärtsziehen (Abb. 3.44b) nur in eine Richtung (außen und innen an den Gesenkecken). Mit abgerundeter Gesenkkante (Abb. 3.44c) wird die Umformung noch milder.

Da sich das Material beim ersten Zug verfestigt, wird vor dem Nachziehen meist geglüht (Rekristallisation).

Der Materialfluss ist nicht gleichmäßig; gezogene Teile müssen meist beschnitten werden (Entgraten per Hand oder mit separatem Schneidgesenk). Das Abstreifen des Teils vom Stempel gelingt durch eine leichte Ausnehmung an der Gesenkunterseite: Beim Rückhub entfällt der Stempeldruck, der Becher federt zurück, die Ausnehmung verhindert Mitnahme.

Verfahren 5: Biegen

Die Analyse gilt für Kantenbildung an Blechen. Komplexere Formen sind durch mehrstufiges Biegen oder kontinuierliches Biegen mit konturierten Rollenbatterien möglich (Seitenpressrollen bei Bedarf). Rohre und Hohlprofile lassen sich durch Umwickeln um einen Formblock mit Abstreifrolle biegen. Bei konstanter Krümmung der Abstreifrolle kann diese im Krümmungsmittelpunkt angelenkt sein (Abb. 3.48). Rohrkollaps wird durch Füllmaterial (z. B. Sand) verhindert.

Verfahren 6: Strangpressen (Extrusion)

Eines der leistungsfähigsten Umformverfahren mit vielen Varianten. Warm- und Kaltausführung möglich. Warmstrangpressen reduziert die Arbeitslast (besonders bei hochfesten Werkstoffen), bringt aber Kühlprobleme und schnellen Matrizenverschleiß.

Bei der einfachen Direktstrangpressung (Vorwärtsstrangpressen) muss der gesamte Bolzen vorwärts bewegt werden – hoher Reibungsverlust, hohe Arbeitslast, hohe Radialspannungen im Container.

Diese Nachteile vermeidet die Indirektstrangpressung (Rückwärtsstrangpressen): Der Bolzen bleibt stationär, Reibung entfällt zwischen Bolzen und Container, wirkt nur an der Matrizen-Container-Schnittstelle. Arbeitslast sinkt und wird bolzenlängenunabhängig.

Hohlprofile lassen sich mit Mandrel und Stempel pressen (Abb. 3.51). Offene (3.51a) und geschlossene (3.51b) Enden je nach Rohling. Mandrel kann am Stempel oder an separatem Körper befestigt sein (3.51c).

Dünnwandige Dosen entstehen durch Impact-Extrusion (Kalt, nur weiche/duktilen Werkstoffe).

Statt direkter Stempelkraft kann ein Fluidmedium verwendet werden (Hydrostatische Extrusion, Abb. 3.53a) – Reibung am Bolzen-Container-Kontakt entfällt.

Eine Variante ermöglicht das Pressen spröder Werkstoffe: Neben hohem hydrostatischem Druck auf den Bolzen wird das Produkt in der Empfangskammer unter niedrigerem Druck (ca. halb so hoch) gehalten (Abb. 3.53b). Geringere Spannungsgradienten, sehr große Teile möglich, aber prozessbedingt langsam – begrenzte Anwendung.

Für komplexe Formen mit ungleichmäßigem Querschnitt: Hohlkammer-Extrusion mit geteiltem Gesenk (ähnlich Gesenkschmieden, Abb. 3.53c).

Alle Bolzen haben Oxidschichten. Bei normaler Extrusion kann diese in den Kern gezogen werden (Festigkeitsminderung), es sei denn, laminare Strömung wird sichergestellt. Schmierstoffe zwischen Bolzen, Matrize, Container reduzieren nicht nur die Arbeitslast, sondern halten die Strömung laminar – die Bolzenoberfläche wird zur Produkthaut. Dieses Prinzip der Hauterhaltung nutzt man auch beim Warmstrangpressen hochfester Werkstoffe und Verbundprofile.

Temperaturbereich bei Stahl-Warmstrangpressen: 1200–1500 °C. Matrize ca. 200 °C (Verschleißschutz). Glasfasern/-pulver als Schmiermittel: Viskosität temperaturempfindlich. An der Matrize hoch (Verschleißschutz, Glas-Haut ca. 0,025 mm auf Produkt). Am Bolzen-Container-Kontakt niedrig (Arbeitslastreduzierung).

Anwendung: Radioaktive Brennstäbe (Uran, Thorium) in Kupfer/ Messing ummantelt (Schutz vor Oxidation/Kontamination). Bolzen wird mit Ummantelungsmaterial vorbereitet.

Verfahren 7: Lochen und Ausschneiden (Punching and Blanking)

Häufigste Blechscherschneideoperationen. Ähnliche Verfahren: Kerben (Notching), Lanzettieren (Lancing – Teilschnitt ohne Ausschuss), Längsschneiden (Slitting – Spaltbänder in schmalere Streifen), Nibbeln (Nibbling – komplexe Formen durch überlappende Kerben ab Außenrand oder Loch), Trimmen (Trimming – Entfernen von Grat/Flanschüberschuss).

Beim Nibbeln wird ein einfacher runder oder dreieckiger Stempel kleiner Dimension an fester Stelle hin- und herbewegt, das Blech geführt – keine Spezialwerkzeuge nötig.

Werkzeugauslegung für Wirtschaftlichkeit

Auslegung von Stempel und Matrize beim Ausschneiden ist entscheidend für Zeit- und Kosteneffizienz. Typische einfache Stempel-Matrizen-Kombination. Genaue Relativlage durch Führungsstangen. Abstreifer löst Blech vom Stempel beim Rückhub, federbelastete Auswerferstoßen das Ausschussteil vom Stempel. Abstreifer wirkt auch als Blankhalter gegen Ziehen.

Mehrere Operationen in einem Hub durch mehrere Stempel-Matrizen-Sätze in einer Baugruppe (Abb. 3.56) – Kombinationswerkzeug. Hinweis: Ausschneidestempel und -matrize sind in Abb. 3.56 umgekehrt positioniert. Inneres Lochstechen muss vor Ausschneiden erfolgen. Kombination von Ziehen/Biegen und Ausschneiden für Wirtschaftlichkeit möglich.

Mehrere Operationen an einem Ort vs. Folgeverbundwerkzeug (Progressive Die): Mehrere Stempel-Matrizen-Elemente an verschiedenen Stationen, eine Operation pro Station, Bandvorschub zur nächsten Station – kontinuierlicher Betrieb.

Schrotminimierung durch optimales Nesting

Wichtiger Aspekt: Schrotminimierung durch optimales Layout (Nesting). Schematisch in Abb. 3.58. Restriktionen in Abb. 3.58b. Minimaler Randabstand: g = t + 0,015·h (t = Banddicke, h = Ausschussbreite). Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ausschussteilen (b) banddickenabhängig (Tabelle 3.1). Kornrichtung (gewalztes Band) kann Nesting-Freiheit stark einschränken. Bei runden Ausschussteilen nur durch Mehrreihigkeit Schroteinsparung möglich.

Verfahren 8: Hochenergie-Umformverfahren (High-Energy-Rate Forming)

Bisher konventionelle Energiequellen. Zusätzlich: chemische, magnetische, elektrische Entladung. Da die Energiefreisetzungsrate viel höher ist: High-Energy-Rate (HER)-Verfahren. Kinetische Energie ∝ v² – kleiner Körper bei hoher Geschwindigkeit liefert große Energie.

Beispiel: 500 kN Presse über 0,15 m = 75 kJ. Gleicher Energieinhalt: 42 kN Hammer bei 6 m/s. Oder 26 N Wasserfront bei 240 m/s (Explosivladung). Prinzip für kompakte Maschinen nutzbar.

Energiefreisetzungsrate: Presse ~0,5 s → 150 kW. Fallhammer ~0,06 s → 1,25 MW. Explosion ~0,0007 s → 107 MW. Letzter Fall: kompakteste und leistungsstärkste Maschine. Hochgeschwindigkeitsumformen (explosiv, elektrische Entladung) basieren darauf.

Drei gängige HER-Verfahren

i. Explosivumformen (Explosive Forming)

Abb. 3.60: zwei Schemata. Stoßwelle in Fluid (meist Wasser) durch Detonation einer Explosivladung. Kleines Teil: gesamte Stoßwellenfront in begrenztem Raum. Großes Objekt: nur Teil der Front. Unbegrenzt weniger effizient, aber bei begrenztem Betrieb höheres Gesenkversagensrisiko (fehlende Kontrolle).

Typische Explosivstoffe: TNT, Dynamit (hohe Energie), Schwarzpulver (niedrige Energie). Hochbrisante Explosivstoffe direkt auf Werkstück: Drücke bis 35 kN/mm². Niedrigbrisante: bis 350 N/mm².

Peakdruck p bei Wasser als Medium: ...

Abstand Explosivladung zur freien Wasseroberfläche (unbegrenzt) ≥ 2× Stand-off-Distanz, sonst Energieverlust. Mit verschiedenen Werkzeugen vielfältige Formen möglich. Werkstoffeigenschaften ähnlich konventionellem Umformen.

ii. Elektrohydraulisches Umformen (Electrohydraulic Forming)

Elektrische Entladung (Funke) statt Explosivstoff erzeugt Stoßwelle im Fluid. Kondensatorbank wird geladen, Schalter schließt → Funke im Elektrodengap → Entladung. Prozesscharakteristik ähnlich Explosivumformen. Energieniveau niedriger. Peakdruck Funktion aus entladener Energie und Stand-off-Distanz.

iii. Elektromagnetisches Umformen (Electromagnetic Forming)

Elektrische Energie in Kondensatorbank gespeichert, durch Schließen des Schalters über Spule entladen. Spule erzeugt Magnetfeld (Stromabhängig). Metallwerkstück in diesem zeitveränderlichen Feld → induzierter Strom → eigenes Magnetfeld. Felder stoßen sich ab: festgehaltene Spule stößt Werkstück in Gesenk. Werkstück muss elektrisch leitfähig, nicht magnetisch sein. Hauptproblem: kurze Spulenlebensdauer.

Verfahren 9: Prägen (Coining)

Gesenkschmiedeoperation, die dünnen, flachen Werkstücken durch seitliche Zwangsführung eine gewünschte Dickenveränderung aufprägt. Namensgebend: Münzprägung. Auch für andere Objekte mit präziser Gesenkabdruckwiedergabe.

Verfahren 10: Gewinderollen (Thread Rolling)

Massenfertigung von Gewindebauteilen (Schrauben, Bolzen): zwei flache, hin- und hergehende Gesenke (oder gegeneinander laufende Gewindewalzen) erzeugen Gewinde durch plastische Verformung. Grundlegend ein Walzverfahren – daher Gewinderollen.

Verfahren 11: Rohrlochen (Tube Piercing)

Nahtlose Rohrherstellung: massiver Stab wird durch zwei gegeneinander geneigte, entgegengesetzt drehende Walzen über einen Mandrel an einem Ende zum Fließen gebracht. Walzgeschwindigkeit und Neigungswinkel bestimmen Vorschub. Heißbetrieb.

Gleichzeitiges Quetschen und Drehen verformt Material elliptisch, Riss entlang Hauptachse. Weiteres Drehen weitet Riss zum Loch, schließlich durch Mandrel geformt und dimensioniert.

Verfahren 12: Taillieren (Spinning)

Rotationsflächenkörper aus Blech. Zuschnitt wird gegen rotierendes Formgesenk gehalten, mit speziellem Werkzeug/Rolle aufgelegt. Bei simultaner Wandverdünnung: Schertaillieren (Shear Spinning).

Verfahren 13: Streckbiegen (Stretch Forming)

Beim Blechbiegen entsteht Druckspannung, die lokales Knicken/Falten verursachen kann. Vermeidung durch Zugspannung während des Biegens. Simultane Streckung und Biegung = Streckbiegen.