Fertigungstechnik - Umformen

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1 Fertigungstechnik - Umformen Bilder und Tabellen Prof. Dr. Beier 21. Juni 2005

2 Inhaltsverzeichnis Fließpressen 7 Biegen 11 Biegeverfahren Verfahrensgrenzen Rückfederung Zuschnittsermittlung Biegekräfte Biegen im V-Gesenk Biegen im U-Gesenk Biegekraft bei Werkzeug mit (Gegenhalter) Abwärtsbiegen Rollbiegen Biegewerkzeuge V-Gesenk U-Gesenk Trennen 17 Abschneiden Feinschneiden Zerschneiden Nachschneiden Grundbegriffe Folgewerkzeuge Schneidplatte

3 Abbildung 1: Umformverfahren nach überwiegender Beanspruchung in der Umformzone 2

4 Abbildung 2: Fließkurve für Stahl Ck 10 Formänderungsfestigkeit k f = k f0 (1 + β ϕ ), ϕ > 0, 4 Nr. Werkstoff Werkstoff- k f0 (ϕ < 0, 4) k f für ϕ = 0, 1 k f für ϕ = 1, 0 k f = C ϕ n nummer N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 N/mm 2 1 Al ϕ AlMn ϕ AlMg ϕ AlMg ϕ AlMg ϕ AlMg4.5Mn ϕ AlMgSi ϕ CuZn ϕ CuZn ϕ UQSt ϕ QSt ϕ C ϕ Ck ϕ Ck15/Cq ϕ Cq ϕ Cr ϕ Tabelle 1: Formänderungsfestigkeitswerte verschiedener Werkstoffe (k f0 für ϕ < 0, 4 unsicher) 3

5 Werkstoff Tiefziehen Biegen Ziehverhältnis β 100 für den Rundungsfaktor c für r min = c s 0 mit s 0 (mm) 1. Zug 2. Zug ohne Zwischenglühung 2. Zug mit Zwischenglühung Rückfederungsfaktor k für r 1s 0,5 1,0 2, DC01 1,8 1,2 1,6 0,5 0,99 0,97 DC03G1 1,9 1,2 1,6 0,5 0,985 0,97 DC04 2,0 1,3 1,7 0,5 0,985 0,96 S185 1,9 1,3 1,7 1,5 0,99 0,97 S235 1,7 1,8 0,99 0,97 S275 1,6 2,0 0,999 0,975 Stahlbleche verkupfert hitzebeständig ferritisch hitzebeständig austenitisch 1,5 0,8 1,7 1,2 1,6 1,6 0,99 0,97 2,0 1,2 1,8 0,8 0,982 0,955 Kupfer 2,1 1,3 1,9 0,25 Zinnbronze CuSn6 Al-Bronze CuAl4 Nimonic Ni80Cr20 1,5 0,6 1,7 1,2 0,5 2,0 1,2 1,6 Nickel 2,3 1,7 1,0 0,99 0,96 CuZn37 2,1 1,4 2,0 0,35 Aluminium 99,5 2,1 1,6 2,0 1,2 0,6 0,4 0,99 0,98 AlMn und AlMg1 1,85 1,3 1,75 1,3 0,9 0,6 0,99 0,97 AlMg2 2,0 1,5 1,9 1,35 1,05 0,8 0,985 0,90 Tabelle 2: Ziehverhältnis, Rundungsfaktor und Rückfederungsfaktor verschiedener Werkstoffe 4

6 Abbildung 3: Platinendurchmeser für rotationssymmetrische Tiefziehteile 5

7 Teilhöhe h Ziehteile ohne Flansch Blechschnittzugabe h B bei h/d Ziehteile mit Flansch Flansch Beschnittzugabe R B bei d F l /d Ø d F l [mm] 0,5... 0,8 0,8... 1,6 1,6... 2,5 2, mm... 1,5 1, ,5 2, ,2 1, ,6 1,5 1, ,2 1,6 2 2,5 50 2,6 2 1,8 1, ,5 3, ,5 3 2,5 2, , ,3 3,6 3 2, , ,0 4,2 3,5 2, , ,5 4,6 3,8 2, , , , Tabelle 3: Beschnittzugaben (nach Romanowski) für runde zylindrische Ziehteile Abbildung 4: Aufbau eines Tiefziehwerkzeuges mit Niederhalter a) Werkzeug für glatten Durchzug auf doppeltwirkender Presse b) Werkzeug für Hohlkörper mit Restflansch, Presse mit Ziehkissen 6

8 Abbildung 5: Ziehring-Normabstufung 1. Zug Fließpressen Abbildung 6: Schema des Vorwärtsfließpressens a) vor der Umformung b) während der Umformung Vorwärtsfließpressen: Das Fließpressen in Richtung der Stempelbewegung dient zur Erzeugung achsensymmetrischer Voll- oder Hohlkörper. Der Werkzeugsatz (siehe Bild) besteht im wesentlichen aus dem Stempel (1), dem Aufnehmer (2) und dem Ausstoßer (3). Abbildung 7: Schema des Rückwärtsfließpressens a) vor der Umformung b) während der Umformung 7

9 Abbildung 8: Schema des Gemischtfließpressens a) vor der Umformung b) während der Umformung Abbildung 9: Drehsymmetrische Vollkörper Abbildung 10: Drehsymmetrische Hohlkörper 8

10 Abbildung 11: Schema des Querfließpressens a) vor der Umformung b) während der Umformung 9

11 Tabelle 4: Fließpress-Werkstoffe 10

12 Biegen Biegeverfahren Abbildung 12: Prinzip des freien Biegens Abbildung 13: Werkzeug- und Werkstückanordnung beim V-Biegen a) Stempel b) Matrize c) Werkstück Abbildung 14: Werkzeug- und Werkstückanordnung beim U-Biegen Abbildung 15: Prinzip des Walzbiegens mit 3 Walzen a) Stempel b) Matrize c) Gegenhalter d) Werkstück 11

13 Verfahrensgrenzen Abbildung 16: Werkstoffbeanspruchung beim Biegen (s = Blechdicke) a) in Längsrichtung b) in Querrichtung r i max = s E 2 R e r i max in mm maximaler Biegeradius E in N/mm 2 Elastizitätsmodul R e in N/mm 2 Streckgrenzenfestigkeit s in mm Blechdicke r i min = s c r i min in mm minimaler Biegeradius s in mm Blechdicke c Werkstoff Koeffizient nach? Der tatsächliche Biegeradius r i muss r i min sein. Für Stahl ist E = 2, N/mm 2. Rückfederung Abbildung 17: Rückfederung von Biegeteilen a) vor der Rückfederung b) nach der Rückfederung Auffederungswinkel β = f(r i, s) für Stahl bis R m = 400 N/mm 2 und Messing bis R m = 300 N/mm 2 : β in Grad s in mm 0,1 bis 0,7 0,8 bis 1,9 2 bis 4 r i in mm 1 s bis 5 s 1 s bis 5 s 1 s bis 5 s 12

14 Zuschnittsermittlung Abbildung 18: Maße des Biegeteiles für die Zuschnittbestimmung L = l 1 + l b + l 2 L in mm gestreckte Länge (Summe aller geraden und gebogenen Teilstücke) l b in mm Länge des Bogens l 1 in mm Schenkellänge l 2 in mm Schenkellänge r i in mm Biegeradius L = l 1 + π α 180 ( r i + e s 2 ) + l 2 s in mm Blechdicke e Korrekturfaktor α in Grad Biegewinkel für α = 90 wird L: L = l 1 + 1, 57 ( r i + e s 2 ) + l2 Korrekturfaktor e = f(r i /s): r i s 5,0 3,0 2,0 1,2 0,8 0,5 e 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 13

15 Biegekräfte Biegen im V-Gesenk F b = 1, 2 b s2 R m w F b in N Biegekraft b in mm Breite des Teiles s in mm Dicke des Teiles R m in N/mm 2 Zugfestigkeit w in mm Gesenkweite r i in mm Biegeradius r i min in mm kleinster noch zulässiger Radius Abbildung 19: Abmessung des V-Gesenks l = 6 s wenn r i > r i min = 2 s bis 5 s w = 5 ri wenn r i = r i min = 1, 3 s w = 7 ri Biegen im U-Gesenk F b = 0, 4 s b R m Ohne Gegenhalter im Werkzeug. Deshalb wölbt sich der Boden aus. Abbildung 20: Auswölbung des Bodens beim U- Biegen ohne Gegenhalter Biegekraft bei Werkzeug mit plattenförmigem, federnden Auswerfer (Gegenhalter) F bg = 1, 25 F b F G = 0, 25 F b F bg = 0, 5 s b R m F bg in N Gesamtbiegekraft F G in N Gegenhalterkraft s in mm Blechdicke b in mm Breite des Biegeteils R m in N/mm 2 Zugfestigkeit Durch den Gegenhalter wird das Auswölben des Bodens verhindert. Abbildung 21: U-Biegen mit Gegenhalter 14

16 Abwärtsbiegen F b = 0, 7 s2 b R m d 1 Abbildung 22: Prinzip des Schenkelabbiegens Rollbiegen F b = 0, 2 s b σ B d 1 in mm äußerer Durchmesser der Rolle Abbildung 23: Prinzip des Rollbiegens a) Stempel b) Matrize c) Werkstück 15

17 Biegewerkzeuge V-Gesenk Das Werkzeug besteht aus Stempel a und Matrize b. Matrizenradius: r m = 2, 5 s r m in mm Matrizenradius s in mm Blechdicke Rundung in Matrizenvertiefung: R = 0, 7 (r + s) Tiefe der Matrizenausnehmung h in mm: h s H Abbildung 24: Konstruktionsmaße des V- Gesenkes h in mm Tiefe der Ausnehmung s in mm Blechdicke h in mm Höhe der Matrize U-Gesenk Das Werkzeug besteht aus Stempel a Matrize b und Federboden c. Matrizenradius: r m = 2, 5 s Abbildung 25: Konstruktionsmaße des V- Gesenkes Maß t (Abstand von der Werkzeugrundung): t in mm s in mm Spaltbreite Z in mm: Z max = s max Z min = s max s n s max in mm maximale Blechdicke 16

18 Trennen Scherschneiden ist Zerteilen zwischen zwei Schneiden, die sich aneinander vorbeibewegen. Messerschneiden ist Zerteilen mit einer meist keilförmigen Schneide. Beißschneiden ist Zerteilen zwischen zwei keilförmigen Schneiden, die sich aufeinander zubewegen. Abbildung 26: Scherschneiden Messer und Beißschneidwerkzeuge zum Trennen von weichen, insbesondere auch nichtmetallischen Werkstoffen haben Schneidelemente mit kleinen Keilwinkeln. Spalten ist Zerteilen durch ein keilförmiges Werkzeug, das in das Werkstück hineingetrieben wird, bis das Werkstück entlang der vorgesehenen Trennungslinie von selbst weiterreißt. Die Anwendung beschränkt sich auf besonders spröde Werkstoffe oder solche mit (aufgrund ihres anisotropen Gefüges) bevorzugten Spaltebenen, wie zum Beispiel das Spalten von Kunststeinen oder das Spalten von Holz in Faserrichtung. Abbildung 27: Messerschneiden Reißen ist Zerteilen durch eine an bestimmter Stelle die Bruchdehnung übersteigende Zugbeanspruchung. eine häufig anzutreffende Art des Reißens ist das Stechen. Stechen ist Einreißen eines Loches von beliebigem Querschnitt, wobei die Lochränder zu Kragen, Zacken o.ä. umgeformt werden. Abbildung 28: Scherschneiden Die letzte Untergruppe des Zerteilens, das Brechen, wird selten angetroffen. Brechen ist Zerteilen durch eine an bestimmter Stelle die Bruchgrenze übersteigende Biege- oder Dehnbeanspruchung. Um sicherzustellen, dass die Trennung beim Reißen oder Brechen auch an der vorgesehenen Stelle erfolgt, wird z.b. durch Kerben der Querschnitt dort möglichst im voraus geschwächt. Abbildung 29: Stechen 17

19 Abschneiden Zerschneiden Abbildung 30: Vollständiges Trennen eines Halbfertigteiles oder Fertigteiles vom Rohteil oder Halbfertigteil längs einer offenen Schnittlinie Feinschneiden Abbildung 32: Vollständiges Trennen eines Roh- oder Halbfertigteiles in mehrere Werkstücke längs einer offenen oder in sich geschlossenen Schnittlinie Nachschneiden Abbildung 31: Einhubiges Scherschneiden mit Niederhalter und Gegenhalter zur Erzeugung von glatten, anrißfreien Schnittflächen Abbildung 33: Abtrennen schmaler Ränder von vorgearbeiteten Flächen zum Herstellen sauberer und maßhaltiger Außen- und Innenformen Grundbegriffe Eine Reihe von Grundbegriffen der Schneidtechnik beziehen sich auf das Werkzeug und erhalten dann die Vorsilbe Schneid-. Beziehen sie sich auf das Werkstück, so wird stattdessen die Vorsilbe Schnitt- verwendet. Abbildung 34: Grundbegriffe der Schneidtechnik; mitte: Schneidwerkzeug, rechts: Schnittteil 18

20 Abbildung 35: Schneidvorgang (normaler Schneidspalt) d s Stempeldurchmesser d p Durchmesser des Schneidplattendurchbruches a Schnittzone b Bruchzone ( 0, 6 s) s Blechdicke Abbildung 36: Schneidvorgang (kleiner Schneidspalt); rechts: Einriß innerhalb der Schnittzone Abbildung 37: Anschliff der Werkzeuge zur Schneidkraftverminderung; oben: beim Lochen, unten: beim Ausschneiden 19

21 Abbildung 38: Plattenführungswerkzeug Folgewerkzeuge In einem Folgewerkzeug werden die Werkstücke in mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden Hüben unter Anwendung verschiedener Arbeitsverfahren gefertigt. Der gesamte Herstellungsvorgang eines Werkstückes ist in mehrere Arbeitsstufen aufgeteilt, von denen jede einen Pressenhub erfordert. Die Anzahl der Arbeitsstufen stimmt mit der Anzahl von Teilungen überein (siehe Bild), auf die sich die angewandten Arbeitsverfahren im Werkstoffstreifen und somit im Werkzeug auch die dazu notwendigen Stempel verteilen. Art und Reihenfolge der Arbeitsverfahren werden nach Möglichkeit so gewählt, dass das Werkstück in einem einzigen Werkzeug gefertigt werden kann und dabei so lange im Streifenverband verbleibt, bis es in der letzten Arbeitsstufe aus- bzw. abgeschnitten und endgültig vom Abfall getrennt wird. Abbildung 39: Folgeschneidwerkzeug 20

22 Abbildung 40: Begriffe an Schnittstreifen b t v S a e l a l e Streifenbreite Teilung Vorschub Linienschwerpunkt des Ausschnittes Randbreite Stegbreite Randlänge Steglänge Abbildung 41: Streifenbild beim Abschneiden; links: mit Stegabfall, mitte und rechts: mit Randabfall Abbildung 42: Seitenschneider 21

23 Abbildung 43: Vertikal-Pendelanschlag Schneidplatte Schneidplatten erhalten durchgehend angeschrägte Durchbrüche, wenn dünne Bleche verarbeitet oder nur geringe Stückzahlen verlangt werden, andernfalls lässt man den Durchbruch auf einer Höhe von mal Blechdicke zylindrisch. Schneidplatten in Gesamtwerkzeugen oder Feinschneidwerkzeugen haben zur besseren Führung der Ausstoßer bzw. Gegenhalter meist durchgehend zylindrische Aussparungen. Abbildung 44: Schneidplattendurchbrüche Plattendicke H = 3 0, 1 F s in mm Gesamtlänge L = (n + 2) t in mm Breite B = b + 2 H in mm F s n t b Schneidkraft Zahl der Arbeitsstufen Teilung Breite des Streifendurchlasses 22

24 Abbildung 45: Rechnerische Ermittlung der Lage des Einspannzapfens bei regelmäßiger Stempelform Abbildung 46: Rechnerische Ermittlung der Lage des Einspannzapfens bei regelmäßiger Stempelform 23

25 Abbildung 47: Nachschneiden und Kantenglätten 24

26 Abbildungsverzeichnis 1 Umformverfahren Fließkurve für Stahl Ck Platinendurchmeser für rotationssymmetrische Tiefziehteile Aufbau eines Tiefziehwerkzeuges mit Niederhalter Ziehring-Normabstufung 1. Zug Schema des Vorwärtsfließpressens Schema des Rückwärtsfließpressens Schema des Gemischtfließpressens Drehsymmetrische Vollkörper Drehsymmetrische Hohlkörper Schema des Querfließpressens Prinzip des freien Biegens Werkzeug- und Werkstückanordnung beim V-Biegen Werkzeug- und Werkstückanordnung beim U-Biegen Prinzip des Walzbiegens mit 3 Walzen Werkstoffbeanspruchung beim Biegen Rückfederung von Biegeteilen Maße des Biegeteiles für die Zuschnittbestimmung Abmessung des V-Gesenks Auswölbung des Bodens beim U-Biegen ohne Gegenhalter U-Biegen mit Gegenhalter Prinzip des Schenkelabbiegens Prinzip des Rollbiegens Konstruktionsmaße des V-Gesenkes Konstruktionsmaße des V-Gesenkes Scherschneiden Messerschneiden Beißschneiden Stechen Abschneiden Feinschneiden Zerschneiden Nachschneiden Grundbegriffe der Schneidtechnik Schneidvorgang (normaler Schneidspalt Schneidvorgang (kleiner Schneidspalt) Anschliff der Werkzeuge zur Schneidkraftverminderung Plattenführungswerkzeug Folgeschneidwerkzeug Begriffe an Schnittstreifen Streifenbild beim Abschneiden Seitenschneider Vertikal-Pendelanschlag Schneidplattendurchbrüche Lage des Einspannzapfens bei regelmäßiger Stempelform Lage des Einspannzapfens bei unregelmäßiger Stempelform Nachschneiden und Kantenglätten Tabellenverzeichnis 1 Formänderungsfestigkeitswerte verschiedener Werkstoffe Ziehverhältnis, Rundungsfaktor und Rückfederungsfaktor verschiedener Werkstoffe Beschnittzugaben (nach Romanowski) für runde zylindrische Ziehteile Fließpress-Werkstoffe