== Einteilung der Umformverfahren nach dem Spannungszustand [[Spannung]]szustand ==
DIN 8582:
Zu den wichtigsten [[Verfahren ]] der Blechumformung [[Blech]]umformung gehören [[Tiefziehen ]] und Streckziehen. Mit diesen Verfahren werden diverse Produkte für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete hergestellt:
Tiefziehen ist laut Definition nach DIN 8584 das Zugdruckumformen eines ebenen Blechzuschnittes in einen einseitig offenen Hohlkörper aller Formen ohne gewollte Änderung der Blechdicke, die Wanddicke entspricht der Bodendicke.Beim Tiefziehen im Erstzug entsteht aus dem zugeschnittenen ebenen Blech (ugs. [[Ronde]]) das Ziehteil in einem einzigen Prozessschritt[[Prozess]]schritt. Bei größeren Formänderungen erfolgt der Umformprozess im Weiterzug des im Erstzug Hergestellten Bauteils.
=== Umformvorgang und Spannungsverteilung ===
== Die einzelnen Phasen [[Phase]]n beim Ziehvorgang ==
[[Bild:Umformen_2.jpg]]''Abbildung 2''
* der Niederhalter drückt die Ronde fest auf die Ziehmatrize
* der Niederhalter drückt die Ronde fest auf die Ziehmatrize
* der Ziehstempel zieht die Ronde durch die Öffnung der Ziehmatrize, dadurch wird der äußere Durchmesser der Ronde immer mehr verkleinert. Bis die Ronde vollständig zum Hohlkörper umgeformt ist
* Soll am Hohlkörper ein Kragen verbleiben, so müsste der Tiefzug begrenzt werden.
Formt man einen Hohlkörper in eine Ronde zurück, dann ergibt sich das der Boden des Napfes mit seinem Radius '''r<sub>n</sub>''' unverändert erhalten bleibt. Sich der Mantel (auch Zarge) des Hohlteils aus einer Vielzahl von Rechtecken der Breite '''b''' und der Länge '''(r<sub>a</sub> – r<sub>n</sub>)''' gebildet werden und zwischen den Rechtecken Dreiecksflächen, den sog. ''„charaktarischen Dreiecksflächen“'' entstehen.
==== Folge der charakteristischen Dreiecke ====
Überschüssiger [[Werkstoff ]] geht nicht verloren, würde aber ohne einen Niederhalter zur Faltenbildung führen. Da ein ausweichen des Werkstoffes nicht möglich ist, wird das Blech zwischen Niederhalter und Ziehring gestaucht, zwischen Ziehring und Stempel wieder gestreckt. Zu beachten ist das die Niederhalterkraft außer der eigentlichen Ziehkraft zusätzlich aufgebracht werden muss. Dies führt zur Erhöhung der gesamt Ziehkraft.
Die Ziehkraft wird vom Materialquerschnitt [[Material]]querschnitt des [[Werkstück ]] übertragen und zwar zunächst in Boden nähe. Im fortlaufenden Ziehvorgang erfolgt diese [[Kraft ]] auch auf den zylindrischen Teil in Bodennähe. Dadurch erfolgt eine Schwächung, kein Verlust, des Materialquerschnittes in Bodennähe
[[Bild:Umformen_4.jpg]]''Abbildung 4''
=== Spannungsverteilung ===
Tangentiale Stauchung σt Entsteht durch das wandern des Werkstoffes zu immer kleineren Durchmessern. Radiale [[Zugspannung ]] σr entsteht durch die [[Zugkraft ]] beim Einziehen der Ronde in den Ziehspalt. Die Druckspannung ''' σd '''Entsteht durch die Niederhalterkraft, hier wird der Werkstoff auf Druck beansprucht. Die Biegespannung ''' σb ''' entsteht durch das Biegen über die Ziehkante.
[[Bild:Umformen_5.jpg]]''Abbildung 5''
=== Grundlagen der Blechumformung ===
=== [[Zugversuch]], Fließkurve ===
Mechanische [[Mechanisch]]e Werkstoffeigenschaften zur Auslegung von Blechumformprozessen werden meistens im Zugversuch ermittelt (''Abbildung 7''). Zu diesen Werkstoffeigenschaften gehören u.a. die [[Zugfestigkeit ]] ''' Rm ''', die [[Streckgrenze ]] ''' Rp0,2''' (bzw. '''ReH''' und '''ReL'''), die [[Bruchdehnung ]] ''' A ''', der Verfestigungsexponent n, der aus der Gleichmaßdehnung Agt ermittelt wird, sowie die Anisotropiekennwerte [[Anisotrop]]iekennwerte senkrechte [[Anisotropie ]] ''' r ''' und ebene Anisotropie ''' Δr '''.
Das [[Spannungs-Dehnungs-Diagramm ]] dient zur Bestimmung der Festigkeits[[Festigkeit]]s- und Verformungskenngrößen der Werkstoffe. Es kann in verschiedene Bereiche eingeteilt werden. Zu Beginn der Lastaufbringung erfolgt die Dehnung der Probe elastisch, d.h. nach Entlastung nimmt der Stab seine Ausgangslänge ''' L0 ''' wieder ein. Im Diagramm stellt sich dieser Bereich als Gerade dar. Spannung und Dehnung ändern sich verhältnisgleich. Diesen Zusammenhang erkannte erstmals der Physiker [[Physik]]er Hooke, nach dem dieser Bereich auch Hookescher Bereich des Werkstoffs genannt wird.
Zur Auslegung von Blechumformprozessen reichen die im Zugversuch ermittelten Kennwerte nicht mehr aus, weil hier die Fließspannung ''' kf ''' des sich verfestigenden Werkstoffs zu jedem Umformgrad ''' ϕ ''' bekannt sein muss. Die Fließkurve ''' kf (ϕ) ''' stellt den Zusammenhang zwischen
Fließspannung und Umformgrad dar. Sie kann z.B. mit Hilfe des Stauchversuchs oder des Zugversuchs ermittelt werden. Die Fließspannung ist neben dem Umformgrad auch von dem Werkstoff, der [[Temperatur ]] und der Umformgeschwindigkeit abhängig.Die Fließspannung ist ein Maß für die benötigte Kraft pro Flächeneinheit, um einen [[Körper ]] plastisch zu verformen.
Sie kann aus dem technischen Spannungsdiagramm
''' σ (ε) ''' unter Anwendung der Volumenkonstanz [[Volumen]]konstanz ermittelt werden.
Umformgrad : ''' ϕ = ln(1+ε) '''
=== Anisotropie ===
Bleche sind oft anisotrop in ihren mechanischen Eigenschaften, weil sie den richtungsabhängigen Herstellungsprozess des Walzens [[Walzen]]s durchlaufen. Die Anisotropie von Blechen hat ihre Ursache in der Gefügestruktur [[Gefüge]]struktur und wird bestimmt durch:
* die Ausprägung der kristallographischen Richtung
* Form, Richtung und Lage von Einschlüssen und Ausscheidungen
* Form, Richtung und Lage der [[Körner]]Diese Ursachen für die Anisotropie bedingen sich oft untereinander schon während der Herstellung des Bleches. Man unterscheidet senkrechte Anisotropie ''' r ''' (bzw. mittlere senkrechte Anisotropie ''' r ''') und die ebene Anisotropie ''' Δr '''.
=== Senkrechte Anisotropie r ===
Aus diesem Verhältnis lassen sich je nach Größe von ''' r ''' folgende Schlussfolgerungen ziehen:
* ''' r=1 ''': Es liegt isotropes, plastisches Verhalten vor, weil das Material unter Zugbelastung in Längsrichtung gleichmäßig aus der Breiten- und Dickenrichtung fließt* ''' r>1 ''': Es liegt anisotropes, plastisches Verhalten vor, bei dem mehr Material unter Zugbelastung in Längsrichtung aus der Breite in die Länge fließt, als aus der Dicke. In diesem Fall weist das Blech einen größeren [[Widerstand ]] gegen eine Verringerung aus der Blechdicke auf.* ''' r<1 ''': Es liegt anisotropes, plastisches Verhalten vor, bei dem mehr Material aus der Dicke in die Länge fließt, als aus der Breite. Es besteht ein größerer Widerstand des Bleches gegen eine Verminderung aus der Breite
Für Tiefziehbleche, bei denen eine Ausdünnung unerwünscht ist, empfiehlt sich daher eine hohe senkrechte Anisotropie '''(r > 1,25 ) '''. Die Betrachtung der senkrechten Anisotropie bezieht sich nur auf eine Ebene des Bleches. Bleche weisen jedoch unterschiedlichesenkrechte Anisotropien in Abhängigkeit von der Walzrichtung auf. Um einen repräsentativen Wert für einen Blechwerkstoff zu erhalten, ist die mittlere senkrechte Anisotropie entscheidend. Diese ergibt sich aus der Aufteilung eines Bleches in zweimal 450 zur Walzrichtung.
=== Ebene Anisotropie ''' Δr ''' ===
Die walzrichtungsabhängige senkrechte Anisotropie hat einen Einfluss auf das Formänderungsverhalten des Bleches beim Tiefziehen. Bei einem rotationssymmetrischen Napf, der aus einem anisotropen Blech tiefgezogen wird, ist die Formänderungbeispielsweise in ''' 0° ''' zur Walzrichtung aufgrund der Anisotropie anders als in ''' 45° ''' zur Walzrichtung. Es entsteht dabei ein Napf, der Zipfel aufweist.
=== Arten von Blechen ===
Aus dem Band geschnittene Tafeln werden als Grobblech bezeichnet, wenn ihre Dicke größer 3,0 mm ist, oder als Feinblech, wenn die Dicke unter 0,3 mm liegt. Während warmgewalztes Band (Warmband) im Dickenbereich des Grob- und Feinbleches erzeugt
wird, liegt kaltgewalztes Band (Kaltband) fast ausschließlich als
von Warmband und wird meistens nach dem Walzprozess einer
Oberflächenveredelung [[Oberfläche]]nveredelung in Form von Verzinken, Veraluminieren, Verzinnen oder Kunststoffbeschichten [[Kunststoff]]beschichten unterzogen.
=== [[Stahl ]] ===
Anforderungen an Stahlwerkstoffe [[Stahlwerk]]stoffe in der [[Umformtechnik]]:
* hohe Festigkeit
* hohes Formänderungsvermögen
Eine besonders günstige Eigenschaftskombination zum Kaltumformen ergibt sich aus einem großen Unterschied zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit (= geringes Streckgrenzenverhältnis ''' Rp0,2/Rm '''), einer hohen Gleichmaßdehnung ''' Ag ''', einem hohen Anisotropiewert ''' r ''', und einem hohen Verfestigungskoeffizienten ''' n '''.
[[Bild:Umformen_9.jpg]]''Abbildung 9''
Stähle zum Tief-, Streck- und Karosserieteilziehen [[Karosserie]]teilziehen lassen sich je nach Anwendung in folgende Unterteilung gliedern:
<u> ''' Weiche Tiefziehstähle ''' </u>
Typische Stähle zum Tief- und Karosserieteilziehen sind die in der DIN EN 10130 beschriebenen kaltgewalzten Flacherzeugnisse. Dabei wird zwischen den fünf Stählen ''' DC 01, DC 03 ''' bis ''' DC 06 ''' unterschieden. Der niedrige Gehalt von ''' C ''', ''' N ''' und ''' Mn ''' in diesen Stählen führt zu niedrigen Streckgrenzen (< 250 N/mm2) bei relativ hohen Bruchdehnungen
(> 30 %). Des Weiteren zeichnen sich diese Stähle durch hohe ''' r '''-Werte (ca. 2) aus.
<u> ''' IF-Stähle ''' </u>
IF-Stähle (interstitial free) zeichnen sich durch sehr geringe [[Legierungen ]] an C und N (0,002 bis 0,004 %) aus. Durch eine Zugabe an [[Titan ]] und/oder Niob bilden sich mit diesen Legierungselementen Karbide[[Legierungselement]]en [[Karbid]]e, Nitride und Karbonitride[[Karbon]]itride. So entsteht ein Ferrit-Gefüge,
welches frei von interstitiell gelösten ''' C '''- und ''' N '''-Atomen [[Atome]]n ist. Dadurch ist die Steckgrenze sehr niedrig bei gleichzeitig hohen ''' r '''- und ''' n '''-Werten. ''' IF-Stähle ''' sind daher auch alterungsbeständig.Der oben genannte ''' DC 06 ''' (früher ''' IF 18 ''') ist ein so genannter ''' [[IF-Stahl ]] '''.
Die höherfesten mikrolegierten Stähle zeichnen sich durch eine Ausscheidungshärtung durch feinst verteilte Karbonitride der Legierungselemente ''' Ti ''' und ''' Nb ''' aus, die in Bereichen von einigen Hundertstel [[Prozent ]] Legierungsgehalt im Stahl vorliegen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit. Die Mindeststreckgrenze dieser Stähle liegt zwischen 260 und 420 N/mm2, die Zugfestigkeit liegt zwischen 350 und 620 N/mm2 und die Mindestbruchdehnung zwischen 16 und 24 %. Im Stahl-[[Eisen]]-Werkstoffblatt SEW 093 sind die folgenden Sorten der höherfesten mikrolegierten Stähle aufgeführt: ZStE 230, ZStE ZSt[[E 260]], ZStE ZSt[[E 340]], ZStE 380 und ZStE ZSt[[E 420]].
Der im Ferrit interstitiell gelöste [[Phosphor ]] bewirkt eine Mischkristallverfestigung, die je 0,01 % Phosphorgehalt eine Erhöhung der Streckgrenze um ca. 8 N/mm2 bewirkt. Die Mindeststreckgrenzen liegen im Bereich von 220 bis 300 N/mm2. Typische phosphorlegierteStähle sind nach Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 094: ZStE ZSt[[E 220 ]] P,ZStE 260 P und ZStE ZSt[[E 300 ]] P.
<u> ''' Bake-hardening-Stähle (BHZ) ''' </u>
Die Besonderheit bei Bake-Hardening-Stählen ist die Erhöhung der Streckgrenze dieser höherfesten Stähle um ca. 40 N/mm2 durch eine Wärmebehandlung [[Wärme]]behandlung nach der [[Umformung]], die gleichzeitig mit dem Einbrennlackieren [[Einbrenn]]lackieren vonstatten geht. Bei den Bedingungen desEinbrennlackierens, einer Temperatur von 170° bei etwa 20 min Dauer, diffundiert der interstitiell gelöste [[Kohlenstoff ]] an die Versetzungen und blockiert sie. Die Folge ist eine erhöhte Streckgrenze, die die Beulsteifigkeit z.B. einer Motorhaube [[Motor]]haube erhöht. Die Bake-
Hardening-Sorten findet man im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 094 wieder. Beispiele sind ZStE 180 BH, ZStE 220 BH, ZStE 260 BH und ZStE 300 BH.Des Weiteren wurden in den letzten Jahren noch andere Stahlsorten für Feinblech entwickelt, die spezielle Eigenschaften aufweisen. Hier sind nur einige dieser neueren Entwicklungen in Kurzform dargestellt:
<u> ''' Dualphasen-Stähle (DP) ''' </u>
Dualphasen-Stähle haben ein Gefüge aus Ferrit und einem Martensitanteil von ca. 20 %. Das Vorhandensein einer weichen Ferrit-Phase und einer harten Martensit-Phase erhöht die Zugfestigkeit erheblich bei einer vergleichsweise niedrigen Streckgrenze. Starke Verfestigung schon nach dem ersten Zug. Danach Gefahr von [[Rissbildung]].
<u> ''' TRIP-Stähle (RA) ''' </u>
TRIP-Stähle (Transformation Induced Plasticity) weisen in einer ferritisch-bainitischen Grundmatrix als Besonderheit Restaustenitbestandteile auf, die bei Umformung in harten Martensit umwandeln. Diese Umwandlung führt zu einer beträchtlichen Verfestigung.
Höherfeste "''' isotrope '''" Streckziehstähle
Durch einen geeigneten speziellen Walzprozess wird erreicht, dass diese Stähle ''' r '''-Werte um 1 aufweisen. Dies ist besonders beim Streckziehen von Vorteil.
[[Bild:Umformen_10.jpg]]''Abbildung 10''
=== [[Aluminium ]] ===
In den letzten Jahren wurden Feinbleche aus Aluminiumlegierungen [[Aluminiumlegierung]]en für Karosseriebauteile mit spezifischen Umformeigenschaften entwickelt. Zum Beispiel ist die Umformbarkeit von 5000er Legierungen mit ihren höheren Mg-Gehalten mit mikrolegierten Feinkornstählen vergleichbar. Trotzdem sind einige Umformeigenschaften wie Anisotropie und
Bruchdehnung schlechter als bei konventionellen Tiefziehstählen.
Drei Gruppen von Aluminiumlegierungen werden als Feinblechwerkstoffe erzeugt. Sie sind durch ihre chemische Zusammensetzung klassifiziert: die AlMg-Legierungen bzw. 5000er
Legierungen, die AlCuMg-Legierungen bzw. 2000er Legierungen und AlMgSi-Legierungen bzw. 6000er Legierungen.
In den wichtigen Kenngrößen dieser Al-Legierungen, wie z.B. Umformbarkeit, Festigkeit und Korrosionseigenschaften[[Korrosion]]seigenschaften, werden diese Aluminium-Feinbleche durch die Legierungselemente besser. Trotzdem sind die Umformeigenschaften mit denen von Tiefziehstahl nicht vergleichbar. Aber durch die niedrige [[Dichte ]] dieser Aluminiumwerkstoffe im Vergleich zu Stahl (ca. Halbierung des Gewichts[[Gewicht]]s) gibt es einen Vorteil für die Anwendung als Leichtbauteil[[Leichtbau]]teil.Bleche aus Legierungen der 5000er-Gruppe (AlMg) können Fließfiguren auf der Blechoberfläche nach dem Tief- oder Karosserieteilziehen aufweisen, die das dekorative Aussehen eines Blechbauteils beeinträchtigen. Ein Grund für diese Fließfiguren ist eine Blockierung der Versetzungen durch Fremdatome, die wie bei un- und niedriglegierten Stählen zu einer mehr oder weniger ausgeprägten
Streckgrenze führt. Charakteristisch für Fließfiguren aufgrund des oben genannten Effektes sind flammenartige Muster. Bei Legierungen der 6000er-Gruppe (AlMgSi) treten diese Fließfiguren nicht auf. Daher sind Bleche aus dieser Legierungsgruppe für Karosserieaußenteile geeignet.
== Wichtige Einflussgrößen ==
=== [[Reibung ]] ===
Die Reibung hat in der Umformtechnik eine große Bedeutung, weil sie in den Kontaktflächen zwischen [[Werkzeug ]] und Werkstück [[Verschleiß ]] erzeugt. Der Verschleiß kann durch geeignete Wahl der [[Kombination ]] aus Werkzeugwerkstoff – [[Schmiermittel ]] – Werkstückwerkstoff minimiert werden. Die [[Schmierstoffe ]] sollen zwischen Werkzeug undWerkstück eine trennende Gleitschicht bilden, die unmittelbare Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück verhindert und so den [[Reibungswiderstand ]] der aufeinander gleitenden Flächen vermindert.
