König/Klocke. Blechbearbeitung

Transkript

1 König/Klocke. Blechbearbeitung

2 Studium und Praxis Fertigungsverfahren BandS Blechbearbeitung Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Wilfried König VDI Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke VDI Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Kănig, Wilfried: Fertigungsverfahren / Wilfried Kănig ; Fritz Klocke. (Studium und Praxis) Bd. 5. Blechbearbeitung. - 3., iiberarb. und erw. Aufl ISBN DOI / ISBN (ebook) Springer-Verlag Berlin Heidclberg 1995 Urspriinglieh erschienen bei VDI-Verlag GmbH, DUsseldorf 1995 Soficover reprint ofthe hardcover 4th edition 1995 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollstăndigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie), der elektronischen Datenspeicherung (Wiedergabesysteme jeder Art) und das der Ubersetzung, vorbehalten. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen u. ă. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Herstellung: PRODUserv, Berlin Datenkonvertierung: Fotosatz-Service Kăhler OHG, Wiirzburg ISBN

4 Vorwort zum Kompendium "Fertigungsverfahren" Schlüsselfunktionen für die Qualität und die Wirtschaftlichkeit der industriellen Produktion sind die Verfahrenswahl und die Verfahrensgestaltung in der Fertigung. Die Technologie der Fertigungsverfahren gehört zum elementaren Rüstzeug des Fertigungsingenieurs. Auch der Konstrukteur muß sich auf diesem Gebiet orientiert haben, da bereits bei ihm die Verantwortung für die Herstellungskosten beginnt. Allerdings steht der Studierende wie auch der um seine Fortbildung bemühte Praktiker vor einem Informationsproblem. An einer umfassenden und dennoch überschaubaren Darstellung der Fertigungsverfahren, deren Augenmerk sich besonders auf die Technologie richtet, fehlte es bisher. Diesem Bedürfnis entsprechend soll in den hier vorliegenden Bänden ein Gesamtbild der wichtigsten umformenden und trennenden Fertigungsverfahren gezeichnet werden, das über die Darstellung der reinen Verfahrensprinzipien hinaus vor allem auch Einblick in die ihnen zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten vermittelt, wo ier dies für das Prozeßverständnis notwendig ist. Die Auslegung der Maschinenbauteile, der Antriebe und Steuerungen wird ebenfalls in dieser Buchreihe "Studium und Praxis" von M. Weck unter dem Titel "Werkzeugmaschinen-Fertigungssysteme" ausführlich behandelt. Auf Wirtschaftlichkeitsfragen sowie auf die optimale organisatorische Einbindung der Maschinen in den Produktionsprozeß geht W. Eversheim in den Bänden "Organisation in der Produktionstechnik" ein. Die Aufteilung des Werkes "Fertigungsverfahren" in: Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren, Band 2: Schleifen, Honen, Läppen, Band 3: Abtragen, Band 4: Massivumformung und Band 5: Blechbearbeitung faßt jeweils Verfahrensgruppen ähnlichen Wirkprinzips zusaen. Dabei wurde lediglich im Bereich der Umformtechnik eine werkstückbezogene Unterteilung vorgenoen. Dem ersten Band ist ein verfahrens-

5 VI Vorwort übergreifender Abschnitt zu den Toleranzen und den Fragen der Werkstückmeßtechnik in der Fertigung vorangestellt. Innerhalb der einzelnen Bände wurde versucht, eine enzyklopädische Verfahrensaufzählung zu vermeiden. Die logischere und auch didaktisch richtigere Struktur geht vom gemeinsamen Wirkprinzip aus, leitet davon die Beanspruchung der Werkzeuge ab und folgert daraus wiederum deren beanspruchungsgerechte Gestaltung und Zusaensetzung. Erst dann teilt sich der Weg zu den einzelnen Verfahren. Die Buchreihe ist in erster Linie für den Nachwuchs im Bereich der Fertigung und Konstruktion bestit. Ihm soll sie die Technologie der Fertigungsverfahren vermitteln. Mit Nutzen wird auch der Berufspraktiker den einen oder anderen Band zur Hand nehmen, um seine Kenntnisse aufzufrischen oder zu erweitern. Die Vielfalt der Fertigungsprobleme ist so groß wie die Vielzahl der Produkte, und allein mit Lehrbuchweisheiten sind sie nicht zu lösen. Wir wünschen diesem Buch, daß es seinen Lesern vielmehr Ausgangspunkte und Wege bietet, auf denen sie durch ingenieurmäßiges Denken zu erfolgreichen Lösungen gelangen können. Aachen, im Oktober 1995 Wilfried König Fritz Klacke

6 Vorwort zum Band 5 Blechbearbeitung Nach der Behandlung der Fertigungsverfahren Zerspanen, Abtragen und Massivumformung in den Bänden I bis 4 des Kompendiums faßt Band 5 die zur Verarbeitung von Blechen wesentlichen Verfahren der Blechumformung einschließlich des Trennens zusaen. Beide Verfahrensgruppen stehen in engem Zusaenhang, da für fast jedes aus Blech herzustellende Teil entweder der Rohling aus Blech ausgeschnitten wird oder das Fertigteil nach dem Umformen vom Blechstreifen getrennt werden muß. In diesem Band sind auch innovative Verfahren zur Blechbearbeitung beschrieben, die sich zum Teil noch im Laborstadium befinden bzw. schon industriell eingesetzt werden. Die Gliederung dieses Bandes lehnt sich nicht an DIN 8582 an, die die Umform verfahren nach der Werkstoffbeanspruchung unterscheidet. Aus praxisbezogenen Erwägungen haben wir eine Einteilung gewählt, bei der zuerst die Grundlagen der Blechumformung erläutert werden und anschließend eine Darstellung der einzelnen Blechumformverfahren folgt. Im einzelnen werden die Verfahren Tiefziehen, Kragenziehen, Streckziehen, Drücken, Biegen und Schwenkbiegen mit Verfahrensprinzip, Verfahrensvarianten, Formänderungen, Prozeßkräften und Fertigungsbeispielen erläutert. Es schließt sich eine Beschreibung von Sonderverfahren der Blechumformung an, die sich mit den Verfahren Innenhochdruckumformung, superplastisches Umformen, Formgebung mit dem Laser und der schnellen magnetischen Umformung befaßt. Der zweite Teil des Buches ist den Verfahren des Trennens gewidmet. Ausgehend von dem am häufigsten angewandten Verfahren des konventionellen Schneidens wird auf das Genauschneidverfahren Feinschneiden näher eingegangen. Zum Abschluß des Bandes werden die Verfahren mit energiereichen Strahlen, nämlich das Laserstrahlschneiden und das Wasser-Abrasivstrahlschneiden, beschrieben. Dieses Buch basiert auf der Vorlesung Fertigungstechnik II und den dazugehörigen Übungen, die an der RWTH Aachen gehalten werden. Für ihre Unterstützung bei der Erstellung dieses Buches danken wir unseren Assistenten, den Herren Dipl.-Ing. C. Dietz, Dipl.-Ing. J.-A. Fan, Dipl.-Ing. H.-J. Herfurth, Dipl.-Ing. J. H. Li, Dr.-Ing. J. Lennartz,

7 VIII Vorwort zum Band 5 Dipl.-Ing. R. Lenzen, Dr.-Ing. M. Schmelzer, K. Sweeney M.Sc. sowie Herrn Dipl.-Ing. C. Rentsch, der auch für die Koordination der Arbeiten an diesem Buch verantwortlich war. Ferner gilt unser Dank auch den ehemaligen Assistenten, die bei der Erstellung der 1. Auflage mitgewirkt haben und jetzt leitende Positionen in der Industrie einnehmen. Unser Dank gilt weiterhin den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Metallographie und des Technischen Büros sowie dem VDI-Verlag für die Unterstützung bei der Erstellung und Verlegung des Buches. Aachen, im Oktober 1995 Wilfried König Fritz Klacke

8 Inhalt Formelzeichen und Abkürzungen... XIV 1 Einleitung Grundlagen der Blechumformung Kenngrößen zur Beschreibung der Blecheigenschaften Fließkurve Aufnahme von Fließkurven Zugversuch Flachstauchversuch Hydraulischer Tiefungsversuch Verfestigungsexponent n Anisotropiewert r Auswirkung der Anisotropie beim Tiefziehen Verfahren zur Blechprüfung Tiefziehprüfung Streckziehprüfung Biegeprüfung Formänderungsanalyse an Ziehteilen Meßrasterverfahren Grenzformänderungsschaubi1d Modellversuche zur Ermittlung des Reibwertes Streifenziehen Abstreckziehen Keilzugversuch Streifenziehversuch mit Umlenkung Verfahren der Blechumformung Tiefziehen Grundlagen des Tiefziehens Verfahrensprinzip Zulässige Formänderungen

9 X Inhalt Kräfte Ziehkraft Niederhalterkraft Reibung, Schmierung Verfahrensvarianten und Fertigungsbeispiele Tiefziehen mit starren Werkzeugen Niederhalterloses Tiefziehen Tiefziehen in Stufen Tiefziehen über Wulste Stülpziehen Abstreckziehen Tiefziehen mit elastischen Werkzeugen und mit Wirkmedien Tiefziehen mit Wirkenergie Werkzeuge Werkzeuggestaltung Werkzeugbaustoffe Oberflächenbehandlung Werkstückstoffe Blechqualitäten Wärmebehandlung Fertigungsgenauigkeiten Tiefziehfehler Maß- und Formabweichung, Oberflächenausbildung Kragenziehen Grundlagen des Kragenziehens Verfahrensprinzip Zulässige Formänderungen Kräfte Reibung, Schmierung Verfahrensvarianten und Fertigungsbeispiele Werkzeuge Werkstoffe Fertigungsgenauigkeiten Streckziehen Verfahrensprinzip Verfahrensvarianten Einfaches Streckziehen Tangentialstreckziehen Streckziehen mit Gegenwerkzeug Streckziehen von Profilen

10 Inhalt XI Warmstreckziehen Formänderungen, Werkstückstoffe und Kräfte Werkzeuge Drücken Verfahrensprinzip Konventionelles Drücken Projizierstreckdrücken Abstreckdrücken (Streckdrücken) Zulässige Formänderungen Kräfte..., Fertigungsbeispiele Werkzeuge Werkstoffe Fertigungsqualitäten Vor- und Nachteile des Drückens, Einsatzkriterien Biegen Grundlagen des Biegens Verfahrensprinzip Rückfederung Kleinstmögliche Biegeradien Randverformung Verfahrensvarianten Freies Biegen Biegen im Gesenk Schwenkbiegen Walzbiegen Walzprofilieren Walzrunden Werkzeuge und Fertigungsbeispiele Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung Biegen mit drehender Werkzeugbewegung Schwenkbiegen Walzprofilieren Sonderverfahren der Blechumformung Innenhochdruckumformung Verfahrensprinzip Herstellbare Formen und Verfahrensgrenzen Genauigkeit und Werkstückeigenschaften Werkzeuge Sonderanwendungen Superplastisches Umformen

11 XII Inhalt Verfahrensprinzip und Voraussetzungen für die Superplastizität Anwendung der Superplastizität Formgebung mit Laserstrahlung Verfahrensprinzip Technologische Grundlagen Anwendungsfelder Schnelle magnetische Umformung Verfahrensprinzip und Voraussetzungen für das magnetische Umformen Anwendung der magnetischen Umformung Verfahren der Blechtrennung Schneiden Grundlagen des Schneidens Verfahrensprinzip Schneidspalt Schneidkraft und Schneidarbeit Zulässige Schnitteilgeometrie Werkzeugverschleiß Werkzeugbaustoffe Verfahrensmerkmale und -varianten Schnittliniengeometrie Werkzeugführung Verfahrensablauf Fertigungsgenauigkeiten Feinschneiden Grundlagen des Feinschneidens Verfahrensprinzip Verfahrenskenngrößen und -parameter Zulässige Schnitteilgestaltung Schneidspalt Schneidkantengeometrie Ringzacken Ringzackenkraft Gegenkraft Schneidkraftbedarf Reibung und Schmierung Werkzeuge Werkzeugarten

12 Inhalt XIII Werkzeug systeme Werkzeugbaustoffe Werkstoffe Stähle NE-Metalle Verfahrensvarianten und Fertigungsbeispiele Fertigungsgenauigkeiten Verfahren mit energiereichen Strahlen Laserstrahlschneiden Verfahrensprinzip Schneidverfahren und Anwendungsfelder Vergleich mit konkurrierenden Trennverfahren Wasser-Abrasivstrahlschneiden Eigenschaften des Prozesses und des Schnittergebnisses Qualitätsbestiende Merkmale Leistungsmerkmale und Anwendungsgrenzen Schrifttum Sachwörterverzeichnis

13 Formelzeichen und Abkürzungen Großbuchstaben A 2 Querschnittsfläche Ag % Gleichmaßdehnung AN 2 vom Niederhalter beaufschlagte Fläche As 2 Schnittfläche A q 2 Schnitteilfläche A z 2 Oberfläche des Fertigteils Ao 2 Ausgangsfläche AI 2 Fläche nach der Umformung As,Alo % Bruchdehnung C Dehnungskoeffizient C N/ 2 Werkstoffkonstante CI Scherfestigkeitsfaktor E N/ 2 Elastizitätsmodul EI Wärmeeinfl ußzone F N Kraft Fa N Axialkraft F b N Biegekraft FG N Gegenkraft F h N Horizontalkraft FN N Niederhalterkraft F q N Querkraft FR N Reibkraft FR N Ringzackenkraft F n N Normalkraft Fr N Radialkraft Fs N Schneidkraft Fs N Schließkraft FSB N Biegungsanteil der Streifenziehkraft FSG N Streifengegenkraft Fsmax N maximale Schneidkraft FSpmax N maximale Einspannkraft FS1 N Stempelkraft Fsz N S treifenzi ehkraft

14 Formelzeichen und Ahkürzungen XV F t N Tangentialkraft F u N Umformkraft Fz N Ziehkraft F Zid N ideelle Ziehkraft Fzrnax N maximale Ziehkraft HV Härte nach Vickers I(x,y) W/cm 2 Laserstrahlintensitätsverteilung K Korrekturwert L /-Lm Komgröße Nb Biegezahl Nd:YAG Neodym: Yttrium-Aluminium-Granat PL W Laserleistung Ra /-Lm Mittenrauhwert Re 0,2 N/ 2 O,2-%-Stauchgrenze Rrn N/ 2 Zugfestigkeit RpO,2 N/ 2 O,2-%-Dehngrenze R t /-Lm maximale Rauhtiefe Rz /-Lm gemittelte Rauhtiefe SI Wanddicke U Kragenumfang Ws Nm Schneidarbeit Kleinbuchstaben a Flächensegment a minimale Stegbreite bei Schnitteilen a Dicke ad Abstand zwischen Düse und Werkstückoberfläche b Breite b Einspannbrei te b Flächensegment b Ursprungsbreite b' Flächensegment b a Schrumpfbreite bg Gratbreite b i Endbreite bso Schnittfugenbreite auf der Werkstückoberseite bsu Schnittfugenbreite auf der Werkstückunterseite bo Breite vor der Umformung bo Breite der strahlbeeinflußten Zone b l Breite nach der Umformung

15 XVI Formelzeichen und Ahkürzungen c Korrekturkoeffizient c Mindestrundungsfaktor d F Durchmesser der Fokussierung d m mittlerer Zargen durchmesser dm Matrizendurchmesser d N nomineller Düsendurchmesser dp 11m Partikeldurchmesser dst Stempeldurchmesser d w Rollendurchmesser do Vorlochdurchmesser du Durchmesser vor der Umformung d omax maximaler Durchmesser vor der Umformung d l Durchmesser nach der Umformung e Basis der natürlichen Logarithmen e Stempelabsatz h Napfhöhe h Höhe h Kragenhöhe h Schwenkwangenverstellung h E Einzughöhe h G Grathöhe h K Kerbtiefe h R Höhe der Restschnittzone h R Gesamthöhe der Ringzacke hs Höhe der Glattschnittzone ho Höhe vor der Umformung ~h Meßabstand k Verhältnis von gewünschtem zu gefordertem Biegewinkel (Rückfederungsfaktor) k f N/ 2 Fließ spannung k fm N/ 2 mittlere Fließspannung ks Schneidwiderstand I Länge IF Länge der Fokussierung 19 Sue der Schnittlinienlängen IR Länge der Ringzacke ls Länge der Schnittline 1 0 Länge vor der Umformung I 1 Länge nach der Umformung n Verfestigungsexponent m Geschwindigkeitsexponent ma kg/min Feststoffmassenstrom

16 Formelzeichen und Abkürzungen XVII p N/ 2 Pi N/ 2 Pk N/ 2 PN N/ 2 PN m.x N/ 2 r r r M r. ri rimin rk rr r sp rst r u s s Lls s. So Sj Sj Sj t tr U s % uz VF m/min Ws x Druck Innendruck Innendruck Niederhalterdruck maximaler Niederhalterdruck Biegeradius senkrechte Anisotropie mittlerer Wert der senkrechten Anisotropie ebene senkrechte Anisotropie Biegeradius auf Außenseite Biegeradius auf der Innenseite kleinstmöglicher Biegehalbmesser ausformbarer Radius Abrundungsradius des Ziehringes Auflageradius Stempelkantenradius Gesenkradius Blechdicke Werkstückdicke Meßabstand Werkzeug weg Ausgangsblechdicke Blechdicke nach der Umformung Schrumpfdicke Wanddicke Breitenabnahmebetrag Einrißtiefe bezogener Schneidspalt Zieh spalt Vorschubgeschwindigkeit Biegewangenschienenlänge Schneidweg Griechische Buchstaben Cl Cl Cl o o o o o o Biegewinkel Ziehspaltöffnungswinkel Abstreckwinkel Schwenkwinkel erforderlicher Biegewinkel am Biegewerkzeug gewünschter Biegewinkel Drückverhältnis

17 XVIII Formelzeichen und Abkürzungen ß ßmax ßmax ßO ßl ßIOO f faß llf <P <Pb <Pg <Pr <Pv <p" <PZ, <P3 q, S-l A ~m ~ ~SZ P Pw O"v N/Z O"r N/Z 0"1 N/Z O"z N/Z 'tß N/Z N/Z 'ts 0 Ziehverhältnis maximal zulässiges Drückverhältnis Grenzziehverhältnis Tiefziehverhältnis nach dem Erstzug Tiefziehverhältnis nach dem Zweitzug Grenzziehverhältnis für ein Blechdickenverhältnis von do/so = 100 Öffnungswinkel des Schermessers maximal zulässige Dehnung der Außenfaser Umformwirkungsgrad Umformgrad Umformgrad in Breitenrichtung einer Zugprobe Gleichmaßumformgrad logarithmische Formänderung Vergleichsumformgrad Hauptumformgrade Umformgeschwindigkeit Wellenlänge Reibungskoeffizient Streifenreibungszahl Krüungsradius Rollenkrüung Vergleichsspannung Radialspannung Tangentialspannung Axialspannung Scherfestigkeit Schneidspannung