Umformprozesse verstehen: Arten, Anwendungen & Vorteile

Umformen ist eine der wichtigsten Fertigungstechniken im modernen Maschinenbau. Nahezu viele Gegenstände unseres Alltags entstehen durch Umformverfahren.

Beispiele: Kugelschreiberkugel, hydraulische/pneumatische Ventile, Zahnpastatuben, Kochgefäße, Ketten, Ventilatorflügel etc.

Metallumformen ist weltweit verbreitet dank Vorteilen wie Kosteneffizienz, verbesserte mechanische Eigenschaften, hohe Festigkeit, gesteigerte Produktivität, Materialersparnis.

Anwendungsfelder: Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Rüstung.

Ein typisches Automobil nutzt Umformteile: Felgen, Karosserie, Fahrgestell, Ventile.

In diesem Artikel: Was ist Umformen und welche Arten gibt es? sowie Vor-/Nachteile und Anwendungen.

Geschichte des Umformens

Ein Kupferanhänger im nördlichen Irak (ca. 8700 v. Chr.) gilt als erster bekannter industrieller Metallbergbau und -verarbeitung. Kupferbergbau in Amerika ab 4000–5000 v. Chr. (Lake Michigan).

Metalle wurden für Zivilisationen immer bedeutender, essenziell für Bauwerke, Metallverarbeitung wurde gesellschaftlicher Kernbestandteil.

Die Metallbearbeitung umfasst heute diverse Berufe und Industrien. Metallumformen und -gestalten ist Spezialgebiet vieler. Seit der Antike haben sich Techniken stark weiterentwickelt; heute übernehmen Maschinen den Großteil der Formgebung.

Beispiel Walzprofilieren: Hochwertige Walzprofiliermaschinen biegen kontinuierliche Metallbänder in definierte Formen. Eine Walzprofiliermaschine besteht aus einer Reihe von Walzen, die das Metall in kontinuierlicher Bewegung formen. Jedes Walzenpaar (Strang) biegt nur einen kleinen Teil. Das Metall wird gewalzt, bis es den Anforderungen genügt.

Die Evolution der Metallverarbeitung zeigt sich in der Walzprofiliertechnik. Der Einsatz von Walzprofiliermaschinen und -anlagen exemplifiziert den Fortschritt der Metallindustrie.

Was ist Umformprozess?

Metallumformen ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen gewünschter Form durch plastische Verformung des Werkstoffs mittels Druckkraft, Biege- oder Scherkräfte, Zugkraft oder Kombinationen dieser Kräfte – ohne Materialzu- oder -abtrag.

Arten des Umformprozesses

Einteilung in zwei Hauptgruppen: Massivumformen und Blechumformen.

Die detaillierte Klassifikation sehen Sie im Layout oben.

#1. Massivumformen

Massivumformen produziert große Volumen von Produkten, deren Oberfläche-Volumen-Verhältnis gering ist.

Zur Bearbeitung werden Zug-, Druck-, Scherkräfte oder Kombinationen zweier davon eingesetzt.

Ausführung in Maschinen mit Werkzeugen und Matrizen. Die Matrize hat die Form des Endprodukts; das Werkzeug drückt gegen die Matrize, um die Form auf das Material zu übertragen.

Massivumformen umfasst: Walzen, Schmieden, Extrudieren, Ziehen.

1.1 Walzen

Typisches Umformverfahren für Halbzeuge (Stäbe, Bleche, Platten) und Fertigteile (Winkel, U-Profile, Profile). Warm- und kaltwalzen möglich.

Bolzen (Bramme) wird zwischen zwei gegenläufig rotierenden Walzen komprimiert → Dickenreduzierung und Neueinstellung der Form. Rotierende Walzen ziehen die Bramme ein und verdichten sie. Endprodukt: reduzierte Bolzengröße.

Diverse Walzwerke haben sich für unterschiedliche Profilformen entwickelt.

1.2 Zweigerüst-Walzwerk (Two-High)

Drei separate Ständer mit zwei horizontalen Walzen, übereinander. Eine oder beide Walzen verstellbar. Metall durchläuft zwei gleich schnell, gegenläufig rotierende Walzen.

1.3 Dreiwalzen-Walzwerk (Three-High)

Drei Walzen übereinander. Jeweils zwei Walzen pro Pass genutzt; Walzrichtung bleibt unverändert.

Nach erstem Pass mit oberen zwei Walzen wird Band zu unteren zwei Walzen für weitere Reduktion umgesetzt. Zyklus wiederholt sich bis zur gewünschten Reduktion.

1.4 Vierwalzen-Walzwerk (Four-High)

Zwei kleine Arbeitswalzen für Dickenreduzierung, zwei große Stützwalzen zur Abstützung der kleinen.

Kleinerer Walzspaltkontakt → geringere Walzkraft. Große Stützwalzen reduzieren elastische Durchbiegung der Arbeitswalzen.

1.5 Clustermühle (Cluster Mill)

Zwei Arbeitswalzen, vier oder mehr Stützwalzen. Anzahl der Stützwalzen richtet sich nach benötigter Unterstützung der Arbeitswalzen (kleiner Durchmesser). Cluster Mills meist für Kaltwalzen.

1.6 Ringwalzen

Dickwandiger Ring geringeren Durchmessers wird zu dünnwandigem Ring größeren Durchmessers gewalzt.

Bei Kompression streckt sich verformtes Material → Ringdurchmesser vergrößert sich.

1.7 Schmieden

Massivumformverfahren: Druck- und Zugkräfte auf Werkstück/Bolzen via Werkzeugpaar (Matrize und Dorn) zur Endform.

Offene oder geschlossene Matrizen. Offene Matrizen oft für Rohformung vor nachgelagerter Bearbeitung.

Bolzen zwischen zwei Matrizen komprimiert; Matrizen enthalten Kontur der Endform. Beim Komprimieren wird Form auf Bolzen übertragen → Endprodukt.

1.7.1 Freiformschmieden (Open Die Forging)

Für Strecken, Stauchen etc. mit paar flachen Matrizen.

Wichtige Technologie in diversen Branchen. Ermöglicht Grob- und Feinformung, v. a. Stahl und Stahllegierungen. Offene Matrizenseiten erlauben laterale Werkstückbewegung beim Schlag. Auch sehr große Werkstücke schmiedbar.

1.7.2 Gesenkschmieden (Closed Die Forging)

Rohbolzen in Kavität zwischen zwei geformten Matrizen komprimiert. Matrizenkavität formt das Produkt. Anwendungen: Ventil- und Pumpenbauteile, kleine Zahnräder, Pleuelstangen, Schraubenschlüssel etc.

1.7.3 Prägen (Coining)

Druckspannung auf Rohmaterialoberfläche zur Übertragung einzigartiger Formen vom Prägedorn. Beispiele: Geprägte Münzen, Medaillen.

1.7.4 Matrizenschmieden (Impression Die Forging)

Matrizenoberflächen formen Werkstück bei Kompression, starker Materialflusseinschränkung. Überschüssiges Material außerhalb des Matrizeneindrucks = Grat. Wird später entfernt.

Enge Toleranzen nicht direkt erreichbar; Nachbearbeitung (Bohren, Gewinden) üblich. Grundform durch Schmieden, Präzision durch Nachbearbeitung.

1.7.5 Gratloses Schmieden (Flashless Forging)

Werkstück vollständig in Matrize eingeschlossen, kein Grat. Anfangsvolumen muss exakt Matrizinkavität entsprechen.

Geeignet für einfache, symmetrische Geometrien und Werkstoffe wie Al, Mg, Legierungen.

1.7.6 Walzschmieden (Roll Forging)

Reduziert Querschnitt zylindrischer/rechteckiger Stäbe durch Durchlauf zwischen gegenläufigen gerillten Walzen (Rillen entsprechend Endform). Kombiniert Walzen und Schmieden, kategorisiert als Schmiedeoperation.

Walzen drehen teilweise je nach Verformungsgrad. Walzgeschmiedete Produkte oft fester, besseres Gefüge als zerspante Gleichteile.

1.7.7 Umlaufschmieden (Orbital Forging)

Kegelförmiger Obermatrizendorn wird synchron gewälzt und in Werkstück gedrückt. Untermatrize stützt.

Durch geneigte Kegelachse wird nur kleiner Werkstückbereich pro Formschritt komprimiert. Kompressionszone kreist mit Obermatrize. Deutlich reduzierte Presskraft durch teilflächigen Kontakt.

1.7.8 Isothermes Schmieden (Isothermal Forging)

Heißschmieden: Werkstück und Matrizen auf gleicher hoher Temperatur gehalten. Keine Abkühlung durch kalte Matrizen → leichterer Materialfluss, geringerer Kraftbedarf.

Teurer als konventionelles Schmieden; für schwer umformbare Metalle (Ti, Superlegierungen) und komplexe Geometrien. Vakuum/Inertgas zum Schutz vor Oxidation.

1.8 Extrudieren

Massivumformverfahren: Werkstoff durch Matrizenöffnung gepresst/komprimiert für gewünschten Querschnitt.

Zwei Hauptarten: Direkt/Vorwärts-Extrusion und Indirekt/Rückwärts-Extrusion.

1.8.1 Direktes/Vorwärts-Extrudieren

Bolzen in Container laden; Container hat geformte Matrizenöffnung. Stempel presst Bolzen durch Matrize → Produkt.

Produkte: Rohre, Dosen, Becher, kleine Zahnräder, Wellen etc. Am Ende jedes Pressvorgangs verbleibt Restbolzen (Butt) im Container.

1.8.2 Indirektes/Rückwärts-Extrudieren

Matrize auf Stempel montiert (nicht am Container). Material fließt durch Matrizenöffnung auf Stempelseite, entgegengesetzt zur Stempelbewegung. Keine Relativbewegung Bolzen/Container → keine Reibung dort → geringere Stempelkraft als bei Direktpressen.

1.9 Drahtziehen

Herstellung dünner Drähte aus Stäben durch Durchmesserreduzierung und Längenstreckung mit Zugkraft.

Anwendung: Musiksaiten. Rohrziehen für nahtlose Rohre.

Stab/Bolzen durch Matrizenöffnung gezogen → gewünschte Drahtdicke, Querschnittsreduzierung.

2. Schlagpressen (Impact Extrusion)

Immer kalt. Rückwärtsschlagpressen ermöglicht extrem dünne Wände. Beispiele: Zahnpastatuben, Batteriegehäuse.

Hohe Geschwindigkeiten, kurze Hübe. Stoßdruck (nicht statischer Druck) extrudiert Bolzen durch Matrize. Vorwärts, rückwärts oder kombiniert möglich.

2.1 Hydrostatisches Pressen

Bolzen im Container von Fluid umgeben; Fluid durch Stempelvorwärtsbewegung unter Druck. Keine Reibung Bolzen/Container; minimale Reibung an Matrize. Spezialflüssigkeiten/Methoden für hohe Temperaturen nötig.

Duktilität steigt unter hydrostatischem Druck ohne Reibung → auch für spröde Metalle einsetzbar (konventionell nicht extrudierbar). Auf duktile Metalle, hohe Reduktionsverhältnisse möglich.

#2. Blechumformen

Anwendung von Zug- und Scherkräften zur Formgebung von Blechen, Platten, Bändern mittels Werkzeugsatz. Dorn und Matrize als Werkzeuge.

Zugeordnete Operationen: Biegen, Ziehen, Scheren, Abstechen, Lochstanzen.

Plastische Blechverformung: Tiefziehen, Schneiden, Biegen, Umkanten, Bördeln, Kräuseln, Stretch-Umformen, Stanzen.

2.1 Tiefziehen

Blechumformverfahren: Blech wird mit Zug- und Druckkräften in hohlzylindrische Becherform gepresst, ohne Dickenänderung.

Blech auf Matrizenöffnung gelegt, mit Dorn hineingedrückt. Blankhalter hält Blech flach auf Matrize.

Oft hohe Ziehverhältnisse → Mehrstufen-Tiefziehen nötig. Zusätzliche Ziehstufen = Nachziehen (Redrawing).

2.2 Blechbiegen

Metallverformung um eine Gerade. Innenseite der Neutralfaser wird komprimiert, Außenseite gestreckt. Blechdicke unverändert.

2.3 Strecken / Stretch-Umformen

Blech wird gezielt gestreckt und gleichzeitig gebogen zur Formänderung.

Beidseitig in Spannbacken/Ziehperlen gehalten, durch Dorn gestreckt → Spannung über Fließgrenze → plastische Verformung zur Wunschform.

Nach Entlastung bleibt plastische Verformung. Kombinierte Streckung und Biegung → geringeres Federzurück.

Video-Vorlesung: Metallumformprozesse

(YouTube-Einbettung im Original)

Anwendungen des Metallumformens

• Nahtlose Rohre, Stäbe, Turbinenringe, Zementöfen.
• Lager, Platten, Stahlbleche, diverse Automobilkomponenten.
• Raketen- und Flugzeugbauteile, Scharniere, Bolzen, Nägel.

Vorteile des Metallumformens

• Erhöhte Festigkeit der Bauteile.
• Sehr geringer Materialverlust.
• Kleine Bauteile mit hoher Festigkeit herstellbar.
• Dimensionsgenaue Produkte.
• Gleichmäßige Umformrate.
• Exzellente Oberflächengüte.
• Weniger Bearbeitungszeit vs. konventionelle Spanverfahren.
• Verbesserte mechanische Eigenschaften.

Nachteile des Metallumformens

• Hoher Energiebedarf.
• Hohe mechanische Kräfte erforderlich.
• Verfestigung des Werkstoffs begrenzt Umformgrad.
• Spröde Materialien nicht umformbar.
• Gelegentlich Wärmebehandlung im Umformprozess nötig.