Fertigungstechnik II Umformtechnik Einführung und Wiederholung der Grundlagen

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren Fertigungstechnik II Umformtechnik Einführung und Wiederholung der Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius Dresden, 16. Oktober 215 Wochentag Wo Montag Mittwoch Freitag HSL Stundenplan Prof. Beyer OST Vorlesung 3. DS Zeu 26 VL Einführung, VL PVD Physical Vap. Deposition VL Laser-/Plasma- Ober-fl.beschichtg. Ü Übung 1 OST Ü Exkursion 1 Ü Übung 3 Ü Belegvor-stellung Prof. Beyer OST Übung 3. DS Zeu 26 VL CVD Chemical Vapour Deposition; Belegeinführ. VL Spritzverfahren VL Drucktechnikverfahren Ü Übung 2 OST Prof.Füssel Fert.-Planung Vorlesung 1.DS Zeu 222 VL Einführung Fügeund Montageplan. VL Teilefertigung - APL1 (Nestler) VL Teilefertigung - APL2 (Nestler) VL Teilefertigung - APL3 (Nestler) Prof.Füssel Fert.-Planung Übung 3.DS Zeu 222 Ü Übung 1: Produkt-/ Prozessstruktur VL Produktstruktur Ü Übung 2: Daten d. Proz. struktur Buß- und Bettag Buß- und Bettag VL Vorlesung FTM Kapazit.-wirtschaft VL Teilefertigung - APL4 (Nestler) VL Vorlesung FTM Fügbark. Schweißen Ü Exkursion 2 VL Teilefertigung - APL5 (Nestler) VL Vorlesung FTM Fügbark. Schweißen Ü Übung 4 VL Teilefertigung - APL6 (Nestler) Ü Belegvor-stell. und Kon-sultation VL Vorlesung FTM Fügbark. Schrauben VL Teilefertigung - APL7 (Nestler) VL Vorlesung FTM Fügbark. Pressen 3. Übung: Organisat.form 4. Übung FTM Teil Füget. 5. Übung FTM Teil Füget. 6. Übung FTM Teil Schraub. 7. Übung FTM Teil Pressen PD Dr. Nestler ZAT Vorlesung 1.DS Zeu 26 VL Gegenstand und Grundlagen VL Restriktionsystem Zerspan-technik VL Fräsen VL Fräsen/ Bohren VL Bohren VL Präz. und Ultrapr.bearb VL Spezielle Technologien VL Abtragtechnik PD Dr. Nestler ZAT Übung 1.DS Zeu 26 Ü Übung 1 ZAT Fäsen Ü Übung 2 ZAT Fräsen Ü Übung 3 ZAT Rechenaufgaben Prof. Brosius Prof. Brosius UT UT Vorlesung Übung 2.DS Zeu DS Zeu 222 VL Einführung und Grundl. der Umformt VL Element. Methoden der Span.-, Kraft- u. Arbeitserm. VL Tiefziehen VL Biegen VL Gesenkschmieden VL Fließ- und Strangpressen VL Zerteilen / Scherschneid. Ü Wiederhol.- Übung UT Ü Übung 1 UT Ü Übung 2 UT -2-

2 Vorlesungsüberblick Termin Thema Einführung und Grundlagen der Umformtechnik Übung Grundlagen Elementare Methoden der Spannungs-, Kraft- und Arbeitsermittlung Tiefziehen Übung zum Tiefziehen / Tiefziehbeleg Biegen Übung zum Biegen Gesenkschmieden Fließ- und Strangpressen Zerteilen / Scherschneiden Ausweichtermin Repetitorium Skript (Vorlesungsfolien) Direktlink: fakultaet_maschinenwesen/if/ff/studium/index_html Passwort: FT2_Ut_15/16 Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius Kontaktdaten alexander.brosius@tu-dresden.de

3 Multi Material Design Stahl, Eisen 881,7 Absolutes Gewicht: Angaben in kg 438,1 12 Leichtmetalle Andere Metalle Thermoplastische Kunststoffe 61,8 Duroplastische Kunststoffe 148,3 58,5 Elastomere 7,3 47,7 25,3 4,2 29,9 23,1 26,1 Betriebsstoffe Rest Elektronik Lack, Klebstoffe Textilien Glas, Keramik Thermoplastische Elastomere (Quelle: nach Stauber, R.: Umformeigenschaften am Beispiel Stahl Bruchdehnung A 8 in % 6 weiche Stähle, Baustähle Stand: Isotrope Stähle hochfeste IF-Stähle 4 Dualphasen Stähle TRIP Stähle 3 TRIP 1 2 Bake hardening Stähle DP8 / 1 Work hardening 1 Mikrolegierte Stähle Stähle Komplexphasen Stähle CP Zugfestigkeit R m in MPa (Quelle: nach ThyssenKrupp Steel Europe AG)

4 Kristallgittertypen Elementarzelle Kristallgitter a a Korngrenze Kornstruktur (sichtbar im Lichtmikroskop) Korn (Quelle: Lange).5 mm Arten von Korngrenzen Kleinwinkel-Korngrenzen Korngrenzen Hervorgerufen durch Ausrichtung bzw. polygonartige Anordnung von Versetzungen

5 Kristallgittertypen kubisch-raumzentriert (krz) kubisch-flächenzentriert (kfz) Hexagonal dichteste Packung (hdp) Beispiele: Chrom (Cr), Eisen (α-fe), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Wolfram (W) Beispiele: Aluminium (Al), Eisen (γ-fe), Kupfer (Cu), Gold (Au), Blei (Pb), Silber (Ag), Nickel (Ni) Beispiele: Magnesium (Mg), Titan (Ti), Zink (Zn) (Quelle: Groover, 25) Mechanisms of Gleitebene, plastic deformation Gleitrichtung, Gleitsystem Struktur Anzahl der Struktur Anzahl der Gleitsystem Gleitebenen Gleitrichtung Gleitsystem Gleitsystem Gleitebenen Gleichtrichtung Gleitsystem kfz Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag, g-fe hdp Cd, Zn, Mg, Ti, Be krz a-fe, W, Mo : Gleitebene : Gleitrichtung (Quelle: Lange)

6 Mechanismus der plastischen Deformation Gleitung Elastische Deformation Nicht-deformierte Struktur τ Nach Entlastung τ τ Plastische Deformation infolge Gleitung Nach Entlastung BA1 τ -12- Folie 12 BA1 Alexander Brosius;

7 Mechanismen der plastischen Deformation Zwillingsbildung Nicht deformierte Struktur Zwillingsebene Plastisch deformierte Struktur Zwillingsebene τ τ Zwillingsbildung erfordert höhere Spannungen / Energie als Scherung bzw. Abgleiten Zwillingsbildung tritt ein, wenn Scherung nicht möglich ist (z.b. bei niedrigen Temperaturen, hohen Dehnraten) Theoretische und relae Schubfestigkeit G τ theoretical = to 3 Werkstoff G 2π Schubmodul in MPa Theoretische Schubfestigkeit in MPa Reale Schubfestigkeit in MPa Stahl Aluminumlegierungen Kupferlegierungen Titanlegierungen Faktor 1-1 zwischen realer und theoretischer Schubfestigkeit

8 Überlegung Theoretical and zur real shear maximalen strength Scherspannung = sin(2 ) Mit: A 2 = = = Schubspannung τ B Verschiebung x Gitterfehler Def. Gitterfehler Gitterfehler oder Versetzung sind Abweichungen von idealer, regulärer kristalliner Gitterstruktur Punktfehler (null-dimensional) Leerstellen Ionen-Paar-Verschiebung Flächenfehler (zwei-dimensional Korngrenzen Stapelfehler Einlagerungen Linienfehler (ein-dimensional) Stufenversetzungen Schraubenversetzungen Volumenfehler (drei-dimensional) Poren Einschlüsse, Verunreinigungen

9 Mechanism of plastic deformation Punktfehler Leerstelle Zwischengitterplatzdefekt -17- Ionenpaar- Verschiebugen Linienfehler τ τ τ τ τ τ τ τ Versetzung Gleitebene Ionen-Zwischengitterplatzdefekt -18-

10 Flächenfehler Stufenversetzung Schraubenversetzung (Quelle: Lange) Begriffsdefinition Technische und wahre Dehnung Ausgangslänge l Zwischenstadium F l dl F Endlänge l 1 Technische Dehnung ε = l l l 1 Wahre Dehnung (logarithmisch) 1 dl dl dϕ = ϕ = = l l l l l 1 ln l

11 Bedeutung des gewählten Dehnungsmaßes 2 Belastungsszenarien: A) Gesamtdehnung l in einem Schritt L = 8 l 1 = 1 l 2 = 15 B) Gesamtdehnung lin zwei Schritten l 1 und l 2 mit l= l 1 + l 2 A) Ein Belastungsschritt B) Zwei Belastungsschritte = = "+!! = =,3125 = "! +!+ " = =,2917, = ln! = =,2719, = ln "! +ln " = =,2719 ε,5,75,1,15,2,3,5,75 1 ϕ,49,72,95,14,18,26,41,56,69 Wahre Größen realitätsnah, da auf augenblickliche Situation bezogen & Inkremente wahrer Dehnungen sind summierbar Begriffsdefinition Technische und Wahre Spannung F A A F d Unter der Annahhme, dass die Normalkraft homogen über den Querschnitt verteilt ist Technische Spannung Wahre Spannung σ = σ = F A F A In der Umformtechnik werden stets wahre Dehnungen und wahre Spannungen genutzt

12 Definition Plastizität F F (Zugkraft) Ausgangslänge Elastisch-plastische Deformation Eigenschaft des Werkstoffes eine bleibende, d.h. irreversible Dehnung zu ertragen. Plastizität tritt mit dem Erreichen der Fließspannung ein. Sowohl Fließspannung als auch erreichbare plastische Dehnung sind dabei werkstoffabhängig! Bleibende (plastische) Deformation Spannungs-Dehnungs-Kurve R m R p,2 σ in MPa E Fließspannung Elastische Gerade ε p ε = ε t = ε e + ε p ε e A A t E Versagen ε (%) R R E A A At σ ε ε ε ε g t e p p,2 m Fließspannung Mindestzugfestigkeit Elastizitätsmodul Gleichmaßdehnung Bruchdehnung Gesamtdehnung Spannung Dehnung Gesamtdehnung Elastische Dehnung Plastische Dehnung Verfestigung Anstieg der Fließspannung bis zum Einschnürung Versagen Materialtrennung infolge diffuser Einschnürung

13 Fließkurven vernachlässigen i. Allg. den elastischen Bereich Größen in Spannungs-Dehnungskurve beziehen sich auf die Ausgangskonfiguration Größen in Fließkurve beziehen sich auf die Momentankonfiguration Vergleich: Spannung-Dehnungskurve Unterschied Fließkurve und Spannungs- Dehnungs-Diagramm Fließkurve Monotone Spannungssteigerung aufgrund Verfestigung Technische Spannung Abfallende Spannung wegen Einschnürung Elastischer Bereich Wahre Spannung Kein elastischer Bereich Logarithmische Dehnung, Dehnungsinkremente sind summierbar Bezogen auf Ausgangsquerschnitt Technische Dehnungen Bezogen auf aktuellen Querschnitt Wahre Dehnung -25- Einflussparameter auf Fließkurve & ϕ = const Kaltumformung Fließspannung k f in MPa kalt warm Umformgrad ϕ Warmumformung Temperatur ϑ Umformgrad ϕ Fließspannung k f Fließspannung k f Fließspannung k f Umformgradϕ -26-

14 Umformgrad - mehrachsig Der Umformgrad ist als der natürliche Logarithmus aus dem Verhältnis der Länge zur Ausgangslänge definiert. L Aus den Längenänderungen in X-, Y- und Z-Richtung ergeben sich 3 Umformgrade: L Z Z Z 1 Y X = ln X Y ϕ = ln 1 1 ϕx Y X Y Z ϕz = ln Z 1 Y X Y 1 X 1 Vorzeichen beachten: Dehnung: ϕ > Stauchung: ϕ < Volumenkonstanz Volumenkonstanz: Werkstoff ist inkompressibel V = V konstant H L B = H L B V1 H1 L1 B1 = = 1 V H L B Ausgangsform Stauchvorgang Endform L V Stempel Werkstück F L 1 V 1 H H 1 B B

15 Volumenkonstanz L L 1 H V H 1 V 1 B B 1 Bedingung aus der Volumenkonstanz: V = V H1 L1 B1 ln + ln + ln = ϕh + ϕl + ϕb = H L B ϕ ϕ ϕ sowie & ϕ1+ & ϕ2+ & ϕ3 = = 1 mit & ϕ = dϕ dt Anwendung Zugversuch Dehnung in Zugrichtung Abnahme der Querschnittsfläche Wie wird wahre Querschnittsfläche A berechnet? F Querschnittsfläche A A F

16 Mehrachsige Spannungszustände In Realität meist mehrachsige Spannungszustände Beispiel: Ebener Spannungszustand mit den Normalspannungen σ i und den Schubspannungen τ ij σ X Y τ XY τ YX σ Y τ XY σ X τ YX X σ Y Fließortbeschreibt einen mind. 2-achsigen Spannungszustand, der zu einer plastischen Deformation führt Wie erhält man Informationen über die anderen Spannungszustände? Experimente oder Annahmen bzgl. Fließort Populäre Fließkriterien / Fließorte (für isotrope Werkstoffe) sind die Kriterien nach Tresca und von Mises Fließkriterium nach TRESCA (Schubspannungshypothese) III σ I σ III k f II σ III σ I Ebener Spannungszustand: σ II =! I σ I τ max k = f 2 σ III σ III IV σ III -k f σ I plastisch V σ III σ I -k f VI σ III k f σ I σ I Bereich I σ > σ > k = σ I III f I II σ > σ > k = σ III I f III III σ > > σ k = σ σ III I f III I IV > σ > σ k = σ III I f I V > σ > σ k = σ I III f III VI σ > > σ k = σ σ I III f I III

17 Fließkriterium nach VON MISES (Gestaltänderungsenergiehypothese) Das Fließkriterium nach VON MISES via Spannungskomponenten: = ( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) + 6( τ + τ + τ ) k f xx yy yy zz zz xx xy yz zx σ v. M. Das Fließkriterium nach VON MISES via Hauptspannungskomponenten: 1 k = σ σ + σ σ + σ σ f ( ) ( ) ( ) σ 2 = σ II = ebener Spannungszustand / = 1 " " 1 2 σ 3 45 σ 1 Vergleich TRESCA& VON MISES Angenommener Spannungszustand: τ xy σ III TRESCA / = 2 = VON MISES Tresca v. Mises σ I / = / = 3 4 Maximale Abweichung zwischen beiden Kriterien: 15,5 %

18 Zusammenhang Fließkurve - Fließortkurve Isotrope Verfestigung Fließkurve Fließortkurve Anfangsfließortkurve Folgefließortkurve k f in MPa 2 1 σ 2 in MPa 2 1 σ σ σ V -1 σ.2.4 Umformgrad ϕ σ 1 in MPa Übersicht gängiger Fließkriterien Autor, Jahr σ σ 3 σ 45 σ 75 σ 9 σ b τ r r 3 r 45 r 75 r 9 r b Hill-Typ Hill 1948 x x x x Hill 1979 x x x Hill 199 x x x x x x Hill 1993 x x x x x Chu 1995 x x x x x Lin, Ding 1996 x x x x x x x Hu 25 x x x x x x x Hosford-Typ Hosford 1979 x x x Barlat 1989 x x x x Barlat 1991 x x x x Karafillis, Boyce 1993 x x x x x x Bron-Besson 23 x x x x x x x Barlat 1996 x x x x x x x BBC 2 x x x x x x x Barlat 23 (Yld2) x x x x x x x x BBC 23 x x x x x x x x Aretz-Barlat 24 x x x x x x x x Drucker-Typ Cazacu-Barlat 21 x x x x x x x x x x x Cazacu-Barlat 25 x x x x x x x x x x x

19 Temperatur Warm-, Halbwarm-, Kaltumformung Prozesstechnik Massiv- und Blechumformung Spannungszustände Unterteilungskriterien in der Umformtechnik Zug, Druck, Schub und Kombinationen (siehe DIN 858, DIN 8582) Umformen DIN 8582 Druckumformen Zugumformen Schubumformen Zugdruckumformen Biegeumformen Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 858 Zusammenhalt schaffen Zusammenhalt beibehalten Zusammenhalt vermindern Zusammenhalt vermehren Formändern 2. Umformen 3. Trennen 4. Fügen 1. Urformen Eigenschaften 6. Stoffeigenschaften ändern 5. Beschichten Umlagern von Stoffteilchen Aussondern von Stoffteilchen Einbringen von Stoffteilchen

20 Einteilung der Umformverfahren in Untergruppen nach DIN 8582 Umformen Druckumformen Zugdruckumformen Zugumformen Biegeumformen Schubumformen Walzen Freiformen Gesenkformen Eindrücken Durchdrücken Durchziehen Tiefziehen Kragenziehen Drücken Knickbauchen Längen Weiten Tiefen Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung Biegen mit drehender Werkzeugbewegung Verschieben Verdrehen Fertigungsmöglichkeiten für einen Bolzen Beispiele: Welche Fertigungsverfahren gibt es nach DIN 858? Urformen Fertigteil DIN 8582 Umformen Anstauchen: Kleiner Ausgangsquerschnitt Fließpressen: Großer Ausgangsquerschnitt (Werkstoff wird durch die Düse gedrückt) DIN 8588 DIN 8592 Trennen DIN 8593 Fügen + Abfall

21 Spanende vs. umformende Fertigung Spanvolumen Faserverlauf Großes Spanvolumen Werkstoffeffizienz Beispiel: D außen = 1,2 D innen 7 % Spanvolumen Wirtschaftlich bei kleinen Abmessungen Bezogenes Spanvolumen mm³ mm in g 31 kg 123 kg Innendurchmesser D i in mm gestoßen umgeformt Faserverlauf unterbrochen durch spanende Fertigung Geringere Festigkeit Einfluss auf Ermüdungs-und Verschleißfestigkeit (Quelle: Bargel) Umformen Zerspanen Kostenvergleich Umgeformtes Werkstück Werkstoff: Ma 8 Ø2 Ø1 1 2 Gedrehtes Werkstück Werkstoff: 9 SMnPb 2 3 Ø2 Ø1 1 2 Beispiel Kaltumformung Werkstückgewicht minimale Anzahl der Werkstücke: <2 g 1. 2 bis 5 g 5. 5 g bis 1 kg 1. 1 bis 5 kg

22 Spanende vs. umformende Fertigung Spanen Umformen Normal erreichbar Durch Sondermaßnahmen erreichbar In Ausnahmefällen erreichbar (Quelle: nach K. Lange) Einteilung Umformverfahren Blech- und Massivumformung Umformende Fertigungsverfahren Massivumformung Blechumformung F 2 F 1 F 1 F 2 F 2 F 3 Halbzeugabmessungen in allen drei Raumrichtungen ähnlich Werkstofffluss in alle Richtungen I. Allg. drei-achsiger Spannungszustand Größere Umformkräfte als bei Blechumformung Deutlich älter als Blechumformung (z.b. Schmieden) F 1 Halbzeugabmessung in Dickenrichtung wesentlich geringer Werkstück ist Hohlkörper (annähernd konst. Wandstärke) I. Allg. zwei-achsiger Spannungszustand (Zug-Zug oder Zug- Druckspannung)

23 Einteilung Umformverfahren Temperatur Nach DIN 8582 Nach DIN 8582 Kaltumformung Halbwarmumformung Warmumformung Raumtemperatur ohne zusätzliche Erwärmung Erhöhte Temperatur Erwärmung? Erhöhte Temperatur mit zusätzlicher Erwärmung Unterhalb Rekristallisationstemperatur Oberhalb Rekristallisationstemperatur -45- Einteilung Umformverfahren Temperatur Kaltumformung Temperatur: ϑ < Rekristallisationstemperatur Keine Verzunderung der Oberfläche Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Dehnung durch Kaltverfestigung Warmumformung Temperatur: ϑ > Rekristallisationstemperatur Großes Umformvermögen der Werkstoffe, geringe Umformkräfte Keine Änderung der Festigkeit am umgeformten Werkstück Halb-Warmumformung Temperatur: Raumtemperatur < ϑ < Rekristallisationstemperatur Kein bzw. geringes Verzundern an der Oberfläche Geringere Umformkräfte als beim Kaltumformen Engere Maßtoleranzen als beim Warmumformen Zahlenwerte Stahl: ϑ R 6 C Aluminium: ϑ R 3 C Dehnratenaspekt 9: = ;9 muss so gewählt werden, dass Rekristallisation zeitlichstattfinden kann! ;< Hohe Dehnraten ermöglichen ein Verschieben der Rekristallisation zu höheren Temperaturen! Grenzbereich Rekristallisationstemperatur -46-

24 Einschub Rekristallisation 1 Wärmezufuhr oder dissipierteumformenergie reduziert Versetzungsdichte und kann Korngrenzen verändern Rekristallisation verändert die Mikrostruktur Rekristallisationstemperatur Erforderliche Temperatur, die eine Umwandlung aller Körner in 1 h zur Folge hat primär Rekristallisation sekundär Umformbarkeit Fließspannung T m = Schmelztemperatur Zeit Einschub Rekristallisation 2 Kornwachstum in Abhängigkeit der Zeit Zeit Temperaturführung während einer Wärmebehandlung Quelle: Dr. R. Henseler; Prof. A. Brückner-Foit 6 C 64 C Temperatur 1: Vorheizen t pr 2: Durchwärmen t th 3: Halten t ho 4: Abkühlen t co Zeit 55 C 5 C 45 C 4 C Temperatureinfluss bei definierter Zeit (Aluminium, 3 min)

25 Literatur- und Internethinweise Literaturhinweise Lange, K. (Hrsg.), Umformtechnik, Bd. 1-4, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1984, 1988, 199, 1993 Spur, G., Handbuch der Fertigungstechnik, Band 1-3, Karl-Hanser-Verlag, München, Wien, 1984 Kopp, R., Einführung in die Umformtechnik, 2. Aufl., Verlag der Augustinus Buchhandlung, Aachen, 1999 Internethinweise Informationsportal Umformtechnik: Industrieverband Massivumformung e.v.: Gesamtverband der Aluminiumindustrie: E-Learning zum Thema Aluminium: