Druckumformen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 22. April 2009, 18:17 Uhr

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Druckumformen

Beim Druckumformen wird das Werkstück durch Druckkräfte plastisch umgeformt.

Zum Druckumformen gehören unter anderen das Freiformen ( Schmieden ), das Gesenkformen ( Gesenkschmieden ), das Eindrücken und das Durchdrücken.

Schmieden

Beim Schmieden werden Werkstücke durch schlag oder Druck meist in glühenden Zustand umgeformt.Durch dir Erwärmung des Werkstoffes nehmen seine Dehnung und Formbarkeit zu und der Energieaufwand zum Umformen wird geringer.

Durch Schmieden wird der Werkstoff gestaucht und gestreckt und dadurch sein Gefüge verändert.

Bei Schmiedestücken wird im Gegensatz zu den aus dem Vollen spanend gearbeiteten Werkstücken der Faserverlauf nicht unterbrochen.

Schmiedetemperatur

Die Schmiedetemperatur richtet sich nach dem Werkstoff und kann Tabellen entnommen werden. So beträgt zum Beispiel die Schmiedetemperatur für Aluminiumlegierungen ca. 500°C und die für unlegierten Baustahl ca. 1200°C.

Beim Schmieden sind die Angaben der Werkstoffhersteller über Schmiedetemperaturen und Anwärmzeiten zu beachten.

Freiformen

Das Freiformen wird bei der Herstellung von Einzelstücken und zum Vorformen von Gesenkschmiedestücken angewandt.

Gesenkformen

Durch Gesenkformen werden hoch beanspruchte Werkstücke in großer Anzahl aus gut verformbaren Metallen hergestellt. Dabei wird der meist durch Erwärmung bildsam gemachte Werkstoff in ein Gesenk geschlagen oder gepresst. Es besteht aus Ober- und Unterteil.

Im Gesenk geformte Werkstücke besitzen größere Maßhaltigkeit als freigeformte. Bei kleinen Teilen kann eine Toleranz IT6 bis IT7 eingehalten werden. Der Werkstoff wird durch die Form des Gesenkes verdichtet und der ununterbrochene Faserverlauf erhöht die Festigkeit des Werkstückes.

Vorteile des Gesenkformens kurze Fertigungszeiten geringer Werkstoffverlust bessere Festigkeitseigenschaften beanspruchungsgerechte Gestaltung der Werkstücke

Formpressen mit Grat

Als Anhaltswert dafür, ob sich ein Werkstoff durch Formpressen leichter oder schwerer bearbeiten lässt, kann die so genannte „Formbarkeit“ dienen. Sie macht eine Aussage über ertragbare Formänderungen ohne Bruch, ferner über Fließspannungen und Umformungstemperatur.

Beim Gesenkformen mit Grat wird mit Werkstoffüberschuss gearbeitet, d.h., das Volumen des fertigen Werkstückes ist kleiner als das Volumen des Ausgangs-Werkstoffes. Der überschüssige Werkstoff muss aus der sich schließenden Hohlform austreten können. Zu diesem Zweck ist um die Hohlform eine Gratbahn und eine Gratfurche eingearbeitet.

Gratbahn und Gratfurche sind mit großer Sorgfalt zu gestalten. Wichtig ist dabei das Gratbahnverhältnis d.h. Gratbahnbreite zu Gratbahndicke, da es Einfluss auf die Steighöhe des Werkstoffes im Gesenk und den bei der Umformung entstehenden Spannungen besitzt. Bei zu großer Belastung besteht die Gefahr des Werkzeugbruches.

Das Bild zeigt die Abhängigkeit der Spannung δD (Druckspannung), Steighöhe und der Umformkraft vom Gratbahnverhältnis für den Werkstoff C15 bei einer Umformtemperatur von 1100°C. Dabei zeigt sich, dass bei zunehmendem Gratbahnverhältnis die Umformkraft und die Spannung erheblich steigen, während die Steighöhe des Werkstoffes im Gesenk nur wenig zunimmt.

Grundvorgänge beim Formpressen mit Grat

Man unterscheidet Stauchen, Breiten und Steigen des Werkstoffes.

Stauchen Die Ausgangshöhe des Rohlinges wird ohne große Verbreitung und ohne große Gleitwege entlang der Werkzeugwand vermindert. Der Werkstoff fließt hauptsächlich parallel zur Werkzeugbewegung.

Breiten Der Werkstoff wird von innen nach außen verdrängt, wobei lange Gleitwege auftreten. Der Stofffluss erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Werkzeugbewegung.

Steigen Die tiefe Form wird bei örtlicher Vergrößerung der Ausgangshöhe ausgefüllt. Dabei entstehen lange Gleitwege, auch noch nach Eintritt eines Teiles des Werkstoffes in den Gratspalt.

Jedes Formpressen mit Grat beginnt mit stauchen und endet mit Steigen. Der rings um das Formpressstück entstehende Grat wird mit einem Schneidwerkzeug entfernt. Durchgangslöcher können beim Formpressen nicht völlständig durchgedrückt werden, weil sonst der Werkstoff in den Hohlraum im Gesenk, der für den Stempel vorzusehen ist, fließen würde. Der verbleibende Zwischenboden wird daher mit einem Lochstempel später durchschnitten.

Formpressen ohne Grat

Formpressen ohne Grat erreicht man durch eine Gesenkform, in der ein Stempel auf das Werkstück und gegen einen Auswerfer drückt. Dabei entsteht kein Grat. Um die erforderliche Werkstückform zu erreichen, ist jedoch eine genaue Bestimmung des Werkstückvolumens notwendig. Es werden einfache symmetrische oder rechteckige Werkstücke hergestellt.

Ausführung und Gestaltung von Gesenken

Die Gestaltung der Gesenkform und die Anordnung der Werkzeugteile ist gleichbedeutend mit der Gestaltung der im Gesenk geformten Werkstücke selbst. Diese Werkstücke sollen fließgerecht, werkzeuggerecht, maßgerecht und bearbeitungsgerecht sein.

Gesenkteilung

Die Teilfuge zwischen Gesenkober- und Gesenkunterteil ist so zu legen, dass das fertig geschlagene Werkstück gut aus der Form entfernt werden kann. Beim einteiligen Gesenk ist die Gravur nur im Gesenkunterteil eingearbeitet, während die Pressbahn des Gesenkoberteils plangeschliffen ist. Beim zweiteiligen Gesenk erhalten beide Gesenkteile eine Gravur.

Backengesenke werden verwendet, wenn Gesenkschmiedeteile Hinterschneidungen besitzen, die nicht in eine Teilungsebene gelegt werden können. In das Gesenkunterteil sind zwei oder mehr Backen eingesetzt. Diese stützen sich in einem in das Gesenkunterteil eingedrehten Passkegel ab; ihre Teilungsebenen verlaufen in der Schmiederichtung. Ist der Schmiedevorgang beendet, so werden die Backen durch Auswerfer aus dem Unterteil gehoben. Die Backen können nun auseinander geklappt und das hinterschnittene Werkstück dem Gesenk entnommen werden.

Seitenschrägen und Rundungen

Die Wände der Hohlform müssen Seitenschrägen erhalten, damit die Werkstücke gut aus dem Gesenk entfernt werden können. Scharfe Übergänge und Ecken sind zu vermeiden,da sie den Werkstofffluss behindern. Innenformstempel müssen kegelig oder pyramidenförmig, an ihren Stirnflächen ballig oder flachkegelig sein. Seitenschrägen und Rundungen sind nach DIN 7523 genormt. Um Gesenkversatz, d.h. Seitliches Verschieben der Gesenke, zu vermeiden, erhalten diese besondere Führungen.

Die aus dem Gesenk entnommenen Werkstücke haben noch annähernd Schmiedetemperatur und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Damit das werkstück in kaltem Zustand maßhaltig ist, muss die Gesenkform um das Schwindmaß größer gehalten werden.

Schmiedbarkeit der Werkstoffe

Die wichtigsten schmiedbaren Metalle sind Stahl, Aluminium- und Kupferknetlegierungen. Die Schmiedbarkeit hängt von der Zusammensetzung der Werkstoffe, bei Stählen insbesondere vom Kohlenstoffgehalt ab. Mit zunehmendem C-Gehalt und höheren Legierungsanteilen nimmt die Dehnbarkeit und damit die Schmiedbarkeit der Stähle ab. Je geringer der Kohlenstoffgehalt bei unlegierten Stählen ist, desto höher liegt die Anfangsschmiedetemperatur und desto größer ist der Temperaturbereich, in dem geschmiedet werden kann.

Unterhalb der Endschmiedetemperatur darf nicht mehr geschmiedet werden, weil hier die Formbarkeit des Werkstoffes so stark nachlässt, dass sich bei weiterem Schmieden Risse am Werkstück bilden.

Vorteile des Gesenksformens im Vergleich zu spanenden Verfahren:

• Geringer Werkstoffverlust
• Kurze Fertigungszeiten
• Erhöhung der Belastungbarkeit der Werkstücke
• Herstellung schwieriger Formen möglich
• Wenig Zerspanung notwendig

Eine fast unbegrenzte Werkstoffauswahl und verschiedenartige Wärmebehandlungsverfahren erlauben eine gezielte Anpassung der Schmiedestücke an den Verwendungszweck. Durch Gesenkschmieden lassen sich einerseits Bauteile herstellen, die höchsten Beanspruchungen gewachsen sind, andererseits auch weniger hoch belastbare Werkstücke, bei denen es vorrangig auf eine rationelle Fertigung ankommt.

Kalteinsenken

Beim Kalteinsenken wird ein Senkstempel, auch Pfaffe genannt, mit hoher Oberflächengüte, stetigem Druck und geringer Geschwindigkeit in ein vorbereitetes Werkstück aus weichgeglühtem Stahl auf eine bestimmte Tiefe eingesenkt.

Die Matrizen (Formhälften) können beim Senken freistehen oder in einem Haltering gefasst werden .

Die Matrizenstirnfläche, in der Regel eine Teilungsfläche der Form, muss wegen des Einziehens der Kanten stets spanend nachgearbeitet werden. Zweckmäßig wählt man daher eine gewölbte Ausgangsfläche.

Bei Stempeln mit mehreren Absätzen verschwindet der anfänglich gebildete Einzug nicht, wenn der nächstgrößere Absatz mit dem Einsenken beginnt. Zur Erzielung scharfer Kanten ist es daher erforderlich, nach dem Einsenken bis zum ersten Ansatz den eingezogenen Teil der Matrize nachzuarbeiten, bevor das Senken bis zum nächsten Absatz fortgesetzt wird.

Um glatte Formwände zu erhalten, soll das Einsenken in einem ununterbrochenen Arbeitsgang erfolgen. Bei umfangreichen Einsenkarbeiten kann es notwendig sein, das Einsenken in mehreren Stufen vorzunehmen, damit der Formwerkstoff durch Zwischenglühen wieder bildsam gemacht werden kann.

Vorteile des Eindrückverfahrens

Die einfache Herstellung von Gesenken und Formen mit Hilfe eines Stempels, der die Außenform besitzt, ist ein wirtschaftliches Verfahren, da Außenformen einfacher herzustellen sind als Innenformen. Die Gesenke sind untereinander gleich, wenn sie mit dem gleichen Stempel eingesenkt werden. In der Regel erreicht man eine Verkürzung der Herstellzeit gegenüber spanender Fertigung bei mehreren Formen. Die Werkstofffasern werden nicht unterbrochen, wodurch eine Erhöhung der Standzeit erreicht wird. Die Innenformen besitzen eine gute Oberflächengüte. Das Eindrücken wird auch je nach Verfahrensgang als Kalt- bzw. Warmeinsenken bezeichnet.

Durchdrücken

Durchdrücken ist das Druckumformen eines Werkstückes durch teilweises oder vollständiges Hindurchdrücken durch eine formgebende Werkzeugöffnung ( Matrize ) unter Verminderung des Querschnittes oder des Durchmessers. Zu den Verfahren zählen : das Strangpressen und das Fließpressen.

Strangpressen

Beim Strangpressen von Metallen wird das Ausgangsmaterial in Form von Rund- bzw. Hohlbarren in den Blockaufnehmer, den Rezipienten, gebracht. Ein Stempel staucht den Werkstoff an und drückt ihn sodann durch den in die Matrize eingearbeiteten Profildurchbruch.

Die Matrize ist das formgebende Werkzeug beim Strangpressen. Von ihrer zweckmäßigen Gestaltung hängt im Wesentlichen ihre Lebensdauer ab.

Zur Formgebung dienen die in die Matrize parallel eingearbeiteten Profile, welche zur Erzielung einer hohen Oberflächengüte des Strangprofiles poliert sind. Um dem Werkstoff das Einlaufen in die Matrize zu erleichtern, ist die Einlaufseite mit einem Radius 1mm bis 5mm versehen. Dadurch wird auch dem zur Verringerung der Reibung notwendigen Schmiermittel das Eindringen in den Matrizendurchbruch ermöglicht. Die Auslaufseite der Matrize ist kegelförmig erweitert, damit das zur Kalibrierung der Profilstangen erforderliche zylindrische Profil nicht unnötig lang wird. Dadurch wird die Reibung vermindert. Durch eine gewölbte Ausführung der dem Pressgut zugewandten Seite der Matrize entsteht ein vergrößerter Raum zur Aufnahme der unreinen Pressrückstände. Zur Herstellung von Hohlprofilen wird in den Matrizendurchbruch ein Dorn eingeführt, der das gewünschte Innenprofil besitzt.

Nach dem Ugine-Sejournet-Verfahren lassen sich auch Werkstoffe mit höheren Festigkeiten verarbeiten. Sie müssen dann auf Knettemperatur erwärmt werden. Um größere Verschleißerscheinungen an Druckstempel und Matrize zu vermeiden, wird Glas als Schmier- und Isoliermittel verwendet.

Rascher Temperaturwechsel, hohe Druckkräfte und große Reibungskräfte stellen hohe Anforderungen an den Werkstoff, aus dem Matrizen hergestellt werden. Man verwendet deshalb Warmarbeitsstähle, die mit Wolfram, Kobalt, Chrom, Nickel, Vanadium und Molydän legiert sein können. Seit der Entwicklung des Erodierverfahrens sind auch immer mehr Hartmetalle im Gebrauch.

Fließpressen

Beim Fließpressen werden aus dicken Platinen, das sind Blechausschnitte oder Stangenabschnitte, Werkstücke mit verschiedenen Querschnitten ( rund, quadratisch, rechteckig u. a.) geformt. Die für diese Kaltumformung notwendigen Werkzeuge sind Pressstempel und Pressbuchse.

Da der Werkstoff dem Stempeldruck nach keiner Seite ausweichen kann, wird er gezwungen in den Spalt zwischen Stempel und Pressbuchse zu fließen. Dieses Fließen geschieht im kalten Zustand.

Während beim Tiefziehen, besonders bei der Herstellung langer Hülsen, mehrere Arbeitsgänge erforderlich sind, erfolgt die Fertigung beim Fließpressen meist im einen Arbeitsgang. Vollkörper werden durch das Vorwärts- oder Rückwärts-Vollfließpressen, Hohlkörper durch das Vorwärts- oder Rückwärts-Hohlfließpressen hergestellt, Kombinationen sind möglich. Beim Vorwärts-Hohlfließpressen fließt der Werkstoff in Richtung der Stempelbewegung. Der Fließspalt wird entweder von einem Ansatz am Pressstempel und der Pressbuchse oder vom Gegenstempel und der Pressbuchse gebildet. Beim Fließpressen ohne Gegenstempel besitzen die Rohlinge ein Grundloch oder eine durchgehende Bohrung. Dieses Verfahren eignet sich nicht für die Herstellung dünnwandiger Hohlteile, weil diese beim Ausstoßen deformiert würden.

Beim Fließpressen mit Gegenstempel können die Zuschnitte voll oder gelocht sein. Ihre Form entspricht der Außenform des fertigen Werkstückes. Da der Gegenstempel gleichzeitig als Ausstoßer dient, der die Werkstücke mit dem Boden voraus aus der Pressbuchse schiebt, können auch dünnwandige Hohlteile gefertigt werden.

Beim Rückwärts-Hohlfließpressen fließt der Werkstoff gegen die Richtung der Stempelbewegung. Der Fließspalt wird vom Pressstempel und der Pressbuchse gebildet. Die vollen oder gelochten Zuschnitte besitzen die Außenform der fertigen Werkstücke.

Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung langer, dünner Hülsen und Tuben. Die Werkstücke werden mit einem Abstreifer vom Stempel geschoben oder am unteren Ende festgehalten und der Stempel herausgezogen. Die Länge, der mit dem Fließpressverfahren in einem Arbeitsgang hergestellten Hohlteile, kann bei zylindrischen Werkstücken und bei Werkstoffen mit großer Dehnung bis zum 6fachen Werkstückdurchmesser betragen.

Als Maß für die erzielte Formänderung wird das Verhältnis des geänderten Querschnitts A zum Ausgangsquerschnitt A0 sowie das Verhältnis der geänderten Wanddicke s zur Ausgangswanddicke s0 angegeben. Es lassen sich Querschnittsänderungen bei Reinaluminium bis zu 99% erreichen.

Geeignete Werkstoffe für das Fließpressen sind: Blei, Zinn, Kupfer, Reinaluminium, Aluminiumknetlegierungen und weiche CuZn-Legierungen. Stahl sollte einen geringen Kohlenstoffgehalt und große Dehnung besitzen. Beim Verarbeiten von Nichteisenmetallen ist im Allgemeinen kein zusätzlicher Schmierstoff nötig, da diese Stoffe selbstschmierend wirken. Bei der Verarbeitung von Stahl ist eine Schmier- und Trennschicht erforderlich, welche durch Phosphatieren des Rohlings erzeugt wird.

Ein Sonderfall ist das Querfließpressen, wobei der Werkstoff quer oder schräg zur Bewegungsrichtung des Druckstempels oder der Maschine fließt.