Systemkompetenz für komplexe Lösungen. Massivumformung in Deutschland. Konkurrenzlos sicher, innovativ...

Transkript

1

2 Konkurrenzlos sicher, innovativ... Systemkompetenz für komplexe Lösungen. Massivumformung in Deutschland Die Unternehmen der Massivumformung in Deutschland fertigen nicht nur Bauteile nach Auftrag des Kunden. In den letzten Jahren ist zunehmend eine umfassende Systemkompetenz in den Vordergrund gerückt. Die Unternehmen sind eine Hightech-Branche und entwickeln dank modernster Simulations- und Produktionsverfahren innovative Teile und Komponenten im Rahmen des gestellten Anforderungsprofils so entstehen massivumgeformte Hightech-Produkte. Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V., Goldene Pforte 1, Hagen, Deutschland

3 Harald Kugler Umformtechnik

4

5 Harald Kugler Umformtechnik Umformen metallischer Konstruktionswerkstoffe mit 247 Abbildungen, 20 Tabellen, 273 Fragen sowie einer DVD FachbuchverlagLeipzig im Carl Hanser Verlag

6 Prof. Dr. rer. nat. Harald Kugler Duale Hochschule Baden-Württemberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Einbandbild: Dillinger Hütte GTS Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte,auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2009 Carl Hanser Verlag München Projektleitung: Jochen Horn Herstellung: Renate Roßbach Satz: Werksatz Schmidt &Schulz GmbH, Gräfenhainichen Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

7 Vorwort Bei meiner Tätigkeit als Hochschullehrer habe ich immer wieder die Erfahrung gemacht, dass das Wissen über die grundlegenden Zusammenhänge von außerordentlicher Wichtigkeit ist, sowohl für die Entwicklung neuer als auch für die Weiterentwicklung bestehender Geschäfts-, Produktions- und Fertigungsprozesse.So wird in diesem Lehrbuch den Grundlagen der Umformtechnik breiter Raum eingeräumt. Es ist das Basiswissen, das von den Ingenieuren und Wissenschaftlern des 20. Jahrhunderts erarbeitet wurde und dem Ingenieurnachwuchs weitergegeben werden soll. Auch in der Umformtechnik hat es in den vergangenen Jahrzehnten rasante Entwicklungen gegeben, welche die Maschinentechnologie, den Werkzeugbau und die Bauteilgestaltung betreffen. Dieser Entwicklungsschub war ausgelöst bzw. möglich geworden durch die rechnerunterstützte Simulation der Umformprozesse sowie des Werkzeug- und Maschinenverhaltens. Vielfach handelt es sich hierbei um ein Umsetzen von Basiswissen mithilfe der neuen Möglichkeiten der EDV- Anwendungen imweitesten Sinne. Die Präsentationen der Firmen auf Messen und Tagungen geben hierzu eindrucksvolle Einblicke. Die Fachtagungen der umformtechnischen und werkstoffkundlichen Hochschulinstitute zeigen Forschungsergebnisse, die ohne den intensiven Einsatz von Rechnerprogrammen nicht möglich wären. Neue Erkenntnisse und Forschungsergebnisse der Firmen und Institute verändern und verbessern die Umformprozesse, bestehende werden effektiver, neue kommen hinzu, andere werden in Nischen abgedrängt. In diesem Wandlungsprozess wird eswichtig sein, Informationen aus allen verfügbaren Quellen zunutzen und deren Zuverlässigkeit beurteilen zu können. Hierbei ist solides Grundlagenwissen unabdingbare Voraussetzung. Dieses Buch als Lernbuch zu gestalten, geht auf Anregungen des Verlages zurück. Für den verfahrensbeschreibenden Teil wurde die klassische Gliederung in Kaltmassivumformung, Warmmassivumformung und Blechumformung gewählt. In jedem der drei Bereiche werden jeweils zwei Verfahren sehr ausführlich behandelt und Querverbindungen zum Basiswissen hergestellt. In über zwanzig Kapiteln werden weitere Verfahren und Verfahrensvarianten erklärt. Sie laden ein, das Wissen mit Seminarvorträgen zu vertiefen. Wichtiges ist in Merkkästen zusammengefasst. Fragen am Ende der Kapitel erleichtern das Nacharbeiten. Die Antworten zu den Fragen findet der Leser auf der Begleit-DVD. Viele Umformverfahren werden durch Videoaufnahmen erläutert. Sie zeigen dem Berufsanfänger die Möglichkeiten der Umformtechnik. Fertigungsplaner und Entwicklungsingenieureerhalten Hinweise und Anregungen, wie Bauteile mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden können. In das Buch eingeflossen sind Arbeiten aus den Labors der Hochschule Aalen und der Dualen Hochschule Baden-Württemberg. Den Labormitarbeitern dieser Institutionen gilt mein Dank. Zu danken habe ich auch dem Verlag und der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Mosbach, die den Rahmen gestaltet haben, in dem dieses Buch entstehen konnte. Mosbach, im Sommer 2009 Harald Kugler

8

9 Inhaltsverzeichnis Hinweise zur beigefügten DVD Verzeichnis häufig verwendeter Formelzeichen Einleitung Geschichtliche Entwicklung und wirtschaftliche Bedeutung Werkstoffverhalten und Umformtemperaturen Basisverfahren der Umformtechnik Flachwalzen Fließpressen Drahtziehen Stauchen und Gesenkschmieden Tiefziehen Einteilung der Umformverfahren Einordnung nach dem Spannungszustand in der Umformzone Einordnung nach der Umformtemperatur Einordnung nach der Umformtemperatur in Relation zur Raumtemperatur Einordnung nach der Umformtemperatur in Relation zur Rekristallisationstemperatur T rek Abgrenzung Einordnung nach der Bauteilgeometrie Einordnung nach dem Verwendungszweck Fragen zum Kapitel Allgemeine Grundlagen der Umformtechnik Grundgrößen der Umformung Größen der Umformzone Konstantes Volumen der Umformzone Umformgrad und anderebezeichnungen für die plastische Formänderung Fragen zum Kapitel Spannungsgrößen Fließspannung und anderewerkstoffkennwerte Fließbedingung Vergleichsspannung Fragen zum Kapitel Fließkurven Verfahren zur Ermittlung der Fließspannung Fließkurven metallischer Werkstoffe Fragen zum Kapitel Anwendungen der Fließkurven Kraft- und Arbeitsberechnungen Gesamtumformarbeit und -kraft... 70

10 8 Inhaltsverzeichnis Bauteilfestigkeit Fragen zum Kapitel Berechnungen an realen Umformzonen Homogene und inhomogene Umformungen Fragen zum Kapitel ElementarePlastizitätstheorie Allgemeines Scheibentheorie Fragen zum Kapitel Simulationsrechnungen Finite-Elemente-Methode FEM Motivation, Aufgaben, Lösungsansätzeund Ergebnisse Ablauf einer Prozesssimulation Thermische und tribologische Einflüsse auf die Umformprozesse Grenzen offene Fragen Fragen zum Kapitel Metallkundliche Aspekte Aufbau der Metalle Gitterstrukturen Punktförmige Gitterfehler:Leerstellen, Fremdatome Linienförmige Gitterfehler:Versetzungen Flächenförmige Gitterfehler:Korngrenzen Fragen zum Kapitel Fließverhalten der Metalle Mechanismen der plastischen Formänderung Einflüsse der Gitterfehler auf das Fließverhalten Fragen zum Kapitel Tribologie Reibung Schmierung Schmierstoffe für die Kaltmassivumformung Schmierstoffe für die Blechumformung Schmierstoffe für die Warmformgebung (Gesenkschmieden) Fragen zum Kapitel Oberflächenbehandlung Oberflächenbehandlung der Werkstücke Oberflächenbehandlung der Werkzeuge Fragen zum Kapitel Verschleiß Verschleißarten Verschleißuntersuchungen Verschleiß an Umformwerkzeugen Fragen zum Kapitel Kaltmassivumformung Grundlagen der Kaltmassivumformung Allgemeines Verfestigung und Streckgrenzenanomalie Verfestigung

11 Inhaltsverzeichnis Streckgrenzenanomalie Entfestigung durch Erholung und Rekristallisation Erholung Rekristallisation Warm-, Kalt- und Halbwarmumformung Warmumformung Kaltumformung Halbwarmumformung Oberflächengüte,Randschicht und Eigenspannungen Oberflächengüte Randschicht Eigenspannungen in der Randschicht Einflüsse auf die Dauerfestigkeit beim Kaltmassivumformen Fragen zum Kapitel Herstellung von Halbzeugen: Bänder, Bleche, Rohre, Drähte, Stäbe Kaltwalzen Flachwalzen Verfahren, Erzeugnisse und Fertigungseinrichtungen Größen der Umformzone Walzkräfte und -momente Auffederung, Durchbiegung und deren Kompensation Einzug, Durchzug, Haspelzug, Bremszug Stichplan, Enddickeund Endfestigkeit Fragen zum Kapitel Drahtziehen Halbzeuge und Werkstoffe Verfahrensprinzipien Maschinen und Verfahren Berechnungen und Zugabstufungen Berechnungsbeispiel Fragen zum Kapitel Stab- und Rohrziehen Halbzeuge und Werkstoffe Verfahren, Verfahrensvarianten und Fertigungseinrichtungen Fragen zum Kapitel Herstellung von Bauteilen Verfahren der Kaltmassivumformung Fließpressen Verfahren Prinzipielle Fließpressverfahren Gestaltungsmöglichkeiten und Verfahrensvarianten Stadienplanung vonfließpressteilen Oberflächengüte und Genauigkeit Festigkeit der Bauteile Beanspruchung von WerkzeugundMaschine Werkzeugbau Pressenbau Fließpressen einer Tube aus Aluminium Beispiele zum Voll-Vorwärts-Fließpressen Fragen zum Kapitel

12 10 Inhaltsverzeichnis Kaltstauchen Bauteile und Werkstoffe Verfahren, Verfahrensvarianten und Maschinen Berechnungen Berechnungsbeispiel Schraubenrohling Fragen zum Kapitel Eindrücken: Kalteinsenken, Prägen, Formpressen, Dornen Kalteinsenken Prägen Formpressen Dornen Fragen zum Kapitel Gewindewalzen Werkstoffe Werkzeuge zum Gewindewalzen Festigkeit und Dauerfestigkeit Fragen zum Kapitel Profilwalzen Bauteile und Werkstoffe Verfahrensprinzip Verfahrensvarianten Fragen zum Kapitel Festwalzen, Glattwalzen Bauteile und Werkstoffe Verfahren Kennzeichnende Merkmale des Verfahrens Fragen zum Kapitel Ringwalzen Bauteile und Werkstoffe Verfahrensprinzip Walzen von Profilringen Kennzeichnende Merkmale des Verfahrens Zielgrößen Fragen zum Kapitel Rundkneten Bauteile und Werkstoffe Verfahren Fragen zum Kapitel Taumelumformen, Taumelpressen Bauteile und Werkstoffe Verfahren Kennzeichnende Merkmale des Verfahrens Fragen zum Kapitel Biegen von Rohren, Profilen und Drähten Bauteile und Werkstoffe Allgemeines zum Biegen Rohrbiegen Profilbiegen

13 Inhaltsverzeichnis Zugbiegen Zubehör Drahtbiegen Wickeln von dynamisch beanspruchten Federn Fragen zum Kapitel Warmmassivumformung Grundlagen der Warmmassivumformung Allgemeines VomGussgefüge zum feinkörnigen Gefüge Verfestigung Entfestigung Einfluss der Umformtemperatur Einfluss der Umformgeschwindigkeit Einfluss des Stapelfehlerabstandes Fragen zum Kapitel Herstellung von Halbzeug: Warmband, Grobblech, Profile Warmwalzen Allgemeines Werkstoffe und Erzeugnisse Verfahren Fragen zum Kapitel Rohrherstellung, Schräg- und Pilgerschrittwalzen Verfahrensübersicht und Erzeugnisse Schrägwalzen Walzen über eine mitbewegte Stange: Dornwalzen Pilgerschrittverfahren Fragen zum Kapitel Strangpressen Werkstoffe und Erzeugnisse Verfahrensprinzip Werkzeuge Verfahrensvarianten Strangpressen von AlMgSi (EN AW 6060) Ausscheidungshärtung vonalmgsi 0,5 nach dem Strangpressen Fragen zum Kapitel Herstellung von Bauteilen Verfahren der Warmmassivumformung Freiformschmieden Werkstoffe und Erzeugnisse Maschinen Werkzeuge Verfahrensprinzipien Fragen zum Kapitel Recken Recken mit dem Sattel Reckwalzen

14 12 Inhaltsverzeichnis Beispiel Turbinenrotor Fragen zum Kapitel Gesenkschmieden Werkstoffe und Bauteile Verfahrensprinzip und Werkzeuge Maschinen und Anlagen Gefüge der Schmiedeteile Kraft- und Arbeitsbedarf der Schmiedeteile Fragen zum Kapitel Ringwalzen (warm) Werkstoffe und Bauteile Verfahrensprinzip und Werkzeuge Verfahrensgrenzen Fragen zum Kapitel Blechumformung Grundlagen der Blechumformung Streckgrenze, Streckgrenzendehnung, Fließfiguren Senkrechte Anisotropie (r-wert) und Kaltverfestigung (n-wert) der Blechwerkstoffe Anisotropie bezüglich der Blechebene (Dr-Wert) Grenzformänderungsschaubild Übungen Bestimmen des n-wertes Bestimmen des r-wertes Fragen zum Kapitel Herstellen vonbauteilen Blechumformverfahren Streckziehen Werkstoffe und Bauteile Verfahrensprinzip Streckziehanteile beim Tiefziehen und Biegen Fragen zum Kapitel Tiefziehen Verfahren, Verfahrensvarianten Zuschnittermittlung Verfahrensgrenzen Arbeitsablauf Kraft- und Arbeitsbedarf Übungsaufgaben Fragen zum Kapitel Biegen von Blechen Grundlagen des Biegens Verfahren und Maschinen Übungsaufgaben Fragen zum Kapitel Biegen durch Walzen: Walzrunden und Walzprofilieren Walzrunden

15 Inhaltsverzeichnis Walzprofilieren Fragen zum Kapitel Abstreckziehen, Kragenziehen zwei Durchziehverfahren Abstreckziehen Kragenziehen Übungsaufgabe Fragen zum Kapitel Kugelstrahlumformen Verfahrensprinzip Bauteile Anlage zum Kugelstrahlumformen Einflüsse auf die Krümmung Fragen zum Kapitel Drücken Bauteile und Werkstoffe Verfahren Verfahrensvarianten Fragen zum Kapitel Hohlprägen Verfahrensprinzip Versteifungssicken Anordnung der Sicken Fragen zum Kapitel Innenhochdruckumformen Bauteile und Werkstoffe Verfahrensprinzip Verfahrensvarianten Fragen zum Kapitel Planung der Lehrveranstaltungen zum Buch Rahmenbedingungen Personenkreis Einordnung in den Studienablauf Allgemeiner Umgang mit Informationen Schlüsselqualifikationen Planung vonlehrveranstaltungen Übersichtsvortrag für Ingenieure Vorlesung für Wirtschaftsingenieure Vorlesung für Maschinenbauer Grundlagenwissen Erweiterte Grundlagen Fachwissen Erwerben und Erweitern vonübersichtswissen Seminar zu Umformtechnik Hinweise für die Lernenden Allgemeine Lernziele Lernkonzepte für die Lernenden

16 14 Inhaltsverzeichnis Selbstgesteuertes Lernen Lernen und Arbeiten in Gruppen Handlungsorientiertes Lernen Fazit Quellen- und Literaturverzeichnis Anhang Sachwortverzeichnis Inhalt der Begleit-DVD Die Informationen auf dieser DVD dienen der Vertiefung des Lernstoffes aus dem Lehrbuch. FRAGEN UND ANTWORTEN Fragen und Antworten zu Kapitel 1bis 5 VIDEOS Einleitung (Kap.1) Stahl Herstellung und Verarbeitung (Kap.1.0.0) Grundlagen (Kap.2) Simulationsrechnungen Finite-Elemente-Methode FEM (Kap.2.2.3) Kaltmassivumformung (Kap.3) Drahtziehen (Kap.3.2.2) Fließpressen (Kap.3.3.1) Profilwalzen (Kap.3.3.5) Rundkneten (Kap.3.3.8) Taumelumformen (Kap.3.3.9) Warmmassivumformung (Kap.4) Warmmassivumformen (Kap.4.3.0) Gesenkschmieden (Kap.4.3.3) Blechumformung (Kap.5) Biegen vonblechen (Kap.5.2.3) Drücken (Kap.5.2.7) Innenhochdruckumformen (Kap.5.2.9) ANWENDUNGEN Wegabhängige Simulationsrechnung Kaltfließpressen und Kaltstauchen mit Werkstoffdatenbank Teil 1: Simulationsprogramm Scheibentheorie,Röhrentheorie Teil 2: Herleitung des allgemeinen Spannungszustandes und der Vergleichsspannung Teil 3: Herleitung der Vergleichsspannung für die Gestaltänderungsenergiehypothese Teil 4: Elementare Plastizitätstheorie Aufstellen der Differenzialgleichung im Scheibenmodell für das Vollvorwärts-Fließpressen

17 Hinweise zur beigefügten DVD Die DVD zum Buch Umformtechnik dient der Vertiefung und Veranschaulichung des Inhalts ausgewählter Kapitel. Zum Verwenden der DVD benötigen Sie einen Computer mit DVD-Laufwerk. Voraussetzungen für optimales Arbeiten mit der DVD: Prozessor mit 1GHz 512 MByte Arbeitsspeicher Soundkarte Betriebssystem Microsoft Windows (2000, XP oder Vista) Internet-Browser (beispielsweise MS Internet Explorer, Firefox, Netscape Communicator oder ähnlicher) Monitorauflösung mindestens Pixel Starten der DVD Unter Windows startet das Menü automatisch, wenn Sie die DVD in das DVD-Laufwerk Ihres Computers einlegen. Hierzu muss die Autorun-Funktion aktiviert sein. Wenn die DVD nicht

18 16 Hinweise zur beigefügten DVD automatisch starten sollte oder Sie ein anderes Betriebssystem nutzen, starten Sie bitte die Datei start.html im Hauptverzeichnis der DVD mit einem geeigneten Browser. Es erscheint die Startseite der DVD. Die einzelnen Untermenüs der DVD erreichen Sie über die horizontalen Navigationsleisten im oberen bzw.unteren Bereich der Seite. oberenavigationsleiste unterenavigationsleiste Für das Verwenden der Inhalte dieser DVD benötigen Sie unterschiedliche Programme,die jeweils in den zugehörigen Menüs genannt sind. Alle benötigten Programme sind als Download-Link im Bereich Download zu finden. Mithilfe dieser Links kann man sich die Programme aus dem Internet herunterladen. FRAGEN UND ANTWORTEN Die Verständnisfragen und die dazugehörigen Antworten sind in fünf Kapitel unterteilt, die den Buchkapiteln entsprechen. Die Dateien liegen im.pdf-format vor und lassen sich mithilfe eines entsprechenden Programms (z.b. Adobe Reader) öffnen. Kapitel1.pdf Fragen und Antworten-Datei (Beispiel: Kapitel 1) VIDEOS Die Videos sind nach den Kapiteln im Buch gegliedert. Um ein Video zu starten, klicken Sie auf das Video-Symbol oder den dazugehörigen Namen des Videos. Biegen.mpq Video-Symbol mit Video-Namen Sollte das Video nicht automatisch starten, öffnet sich ein Dialogfenster (hier Firefox), in dem Sie auf Öffnen mit klicken. Wählen Sie ein Abspielprogramm aus.

19 Hinweise zur beigefügten DVD 17 Dialogfenster Video (Beispiel Firefox ) ANWENDUNGEN Teil 1: Simulationsprogramm Die Software zur Simulation von wegabhängigem Kaltfließpressen und Kaltstauchen liegt als gepackte.zip-datei vor.diese wird nach einem Klick auf das Symbol oder auf Installationsordner1.zip auf dem Computer gespeichert, wo entpackt werden muss. Installationsordner1.zip Symbol der zip-datei Speichern der Anwendung (Beispiel Firefox )

20 18 Hinweise zur beigefügten DVD Zum Entpacken der Dateien öffnen Sie die Datei mit einer Entpack-Software (z. B. WinZip ). Anschließend können Sie die Anwendung mit dem Starten der Setup.exe installieren. Eine detaillierte Bedienungsanleitung der Anwendung finden Sie ebenfalls im Menü Anwendungen. Bedienungsanleitung.pdf Bedienungsanleitung der Anwendung Die weiteren Vertiefungstexte sind alle im.pdf-format vorhanden und lassen sich mithilfe eines entsprechenden Programmes (z. B. Adobe Reader) öffnen. Teil 2: Herleitung des allgemeinen Spannungszustandes Spannungszustand.pdf Teil 3: Herleitung der Vergleichsspannung GEH.pdf Teil 4: ElementarePlastizitätstheorie DGL.pdf