Fritz Klocke Wilfried König Fertigungsverfahren 4 Umformen 5., neu bearbeitete Auflage Mit 373 Abbildungen Springer
Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen XVII 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Einleitung 3 2.2 Metallkundliche Grundlagen zur Erfassung des Werkstoffzustands 3 2.2.1 Aufbau der Kristalle 3 2.2.2 Elastische und plastische Formänderung der Kristalle. 6 2.2.3 Rekristallisation 11 2.2.4 Abgrenzung zwischen Kalt- und Warmumformung... 15 2.3 Plastomechanische Grundlagen 17 2.3.1 Gegenüberstellung von Kristallphysik und Kontinuumsmechanik 17 2.3.2 Der Spannungszustand 17 2.3.3 Fließbedingung 19 2.3.4 Kinematik des Kontinuums 23 2.3.5 Volumenkonstanz 27 2.3.6 Fließgesetz 28 2.3.7 Grenzen der plastischen Umformung 32 2.3.7.1 Formänderungsvermögen 32 2.3.7.2 Schädigungsansätzc 34 2.3.7.3 Grenzformänderung 37 2.4 Plastizitätstheoretische Lösungsmöglichkeiten für umformtechnische Probleme 37 2.4.1 Lösungsniethoden der elementaren Plastizitätstheorie. 38 2.4.2 Energiemethode 39 2.4.3 Berechnungsverfahren mit dem Streifen-, Scheiben-, Röhrenmodell 40 2.4.4 Strenge Lösung 42 2.4.5 Gleitlinicnverfahren 43 2.4.6 Visioplastizität und Messrasterverfahren 43 2.4.7 Schrankenverfahren 46
Inhalts verzeich n is 2.4.8 Fehlerabgleicliverfahren (FAV) 47 Finitc-Eleinente-Methode (FEM) 48 2.5.1 Grundlegende Konzepte der Finite Elemente Methode. 48 2.5.2 Lagrange'sche und Eulcr'sclie Betrachtung des Kontinimms 50 2.5.3 Explizite und implizite Lösungsverfahren 51 2.5.4 Thermische Kopplung 52 2.5.5 Elcmenttypen 52 2.5.6 Nichtlinearitäten 54 2.5.7 Stoffgesetze 54 2.5.8 Software 55 2.5.9 Hardware 56 2.5.10 Phasen einer Finite Elemente Analyse (FEA) 57 2.5.11 Einsatz der FEM in der Umformtechnik 58 2.5.11.1 Massivumformung 58 2.5.11.2 Blechumformung 66 Metallographie und Analyse 70 2.6.1 Einführung 70 2.6.2 Lichtmikroskopie 70 2.6.3 Mikrohärteprüfuug 71 2.6.4 Elcktronenmikroskopie EM 72 2.6.4.1 Rasterelektronenmikroskopie REM 73 2.6.4.2 Transmissionsclcktronenmikroskopie TEM... 76 2.6.4.3 Röntgenmikroanalyse 78 2.6.5 Präparat ionsinetho den 78 2.6.5.1 Probenentnahme und -einbettung 78 2.6.5.2 Schleifen und Polieren 79 2.6.5.3 Kontrastierung 80 2.6.5.4 Beschichten 81 Werkstoffe in der Umformtechnik 82 2.7.1 Werkstückwerkstoffe 82 2.7.1.1 Blech 82 2.7.1.2 Kaltmassivumforinung 88 2.7.1.3 Warmmassivumrbrnrung 98 2.7.2 Werkzeugwerkstoffe 103 2.7.2.1 Gusswerkstoffe 103 2.7.2.2 Aluminiumbronze-Legierungen 105 2.7.2.3 Werkzeugstähle 105 2.7.2.4 Hartmetalle 108 2.7.2.5 Keramik 109 2.7.2.6 Kunststoffe 111 2.7.3 Fließkurvenermittlung und Werkstoffprüfung 111 2.7.3.1 Fliefskurveiiermitthmg im Zugversuch 112 2.7.3.2 Fließkurvenermittlung im Stauchversuch 117
Inhaltsverzeichnis XI 2.7.3.3 Fliefikurvenermittluiig in weiteren Versuchen. 121 2.7.3.4 Vergleich der Verfahren zur Fließkurvcnermittlung 122 2.7.3.5 Verfahren zur Buchprüfung 124 2.8 Tribologie in der Umformtechnik 129 2.8.1 Das tribologische System 129 2.8.2 Reibung 132 2.8.2.1 Einfliissgrößcn auf die Reibung 132 2.8.2.2 Reibgesetze für die Bewegungsreibung 133 2.8.2.3 Einfluss der Reibung auf den Prozess 139 2.8.3 Verschleiß 141 2.8.3.1 Abrasion 142 2.8.3.2 Adhäsion 144 2.8.3.3 Oberflächenzerrüttmig 146 2.8.3.4 Tribochemischer Verschleiß 146 2.8.4 Schmierung in der Umformtechnik 148 2.8.4.1 Anforderungen an Umformschmierstoffe 148 2.8.4.2 Trenn- und Schmierstoffträgerschichtcn 149 2.8.4.3 Öle, Fette und Emulsionen 152 2.8.4.4 Additive 155 2.8.4.5 Fest Schmierstoffe 159 2.8.5 Werkzeugeinniisse 161 2.8.5.1 Einfluss des Werkzeugwerkstoffs 161 2.8.5.2 Veränderung der Werkzeugrandzone 163 2.8.5.3 Werkzeugbeschichtungen 164 2.8.6 Topographieeinflüsse 169 2.8.6.1 Oberflächentopographie von Blcchwerkstoffen 170 2.8.6.2 Oberflächentopographie von Werkstoffen für die Massivuinformung 171 2.8.6.3 Oberfiächentopographie von Umformwerkzeugen 172 2.8.7 Tribologische Prüfverfahren in der Umformtechnik... 174 2.8.7.1 Geräte für die Sehmierstoffprüfung 174 2.8.7.2 Geräte für die Beschichtungsprüfung 177 2.8.7.3 Prüfverfahren für die Massivumformung 178 2.8.7.4 Prüfverfahren für die Blechumformung 182 3 Massivumformung 187 3.1 Kaltumformung' 187 3.1.1 Stauchen 187 3.1.1.1 Einordnung und Bedeutung 187 3.1.1.2 Fertigungsbeispicle Stauchen 187 3.1.2 Fließpressen 190 3.1.2.1 Einteilung und Besonderheiten der Fließpressverfahren 190
XII Inhaltsverzeichnis 3.1.2.2 Fließpresswerkzeuge und Werkzeugauslegung. 194 3.1.2.3 Fertigungsbeispiele Fließpressen 206 3.1.3 Kraft- und Arbeitsbedarf 210 3.1.3.1 Zulässige Formänderungen 210 3.1.3.2 Stationärer und instationärer Prozess 211 3.1.4 Schmierung und Schmierstoffe 215 3.1.5 Fertigungsgenauigkeiten und Oberflächenqualitäten... 216 3.1.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 218 3.2 Halbwarmumformung 222 3.3 Wannumformung 226 3.3.1 Definitionen und Verfalirensübersicht 226 3.3.2 Frciformschmieden 228 3.3.2.1 Recken 229 3.3.2.2 Stauchen 231 3.3.2.3 Breiten 232 3.3.2.4 Richtungsänderung und Hohlraumerzeugung. 232 3.3.2.5 Trennverfahren 233 3.3.2.6 Fertigungsfolgcn und Anwendungsbeispiele... 234 3.3.3 Gesenkschmieden 239 3.3.3.1 Gesenksclimiedcverfahren zur Zwischenformung240 3.3.3.2 Formpressen mit Grat 242 3.3.3.3 Formpressen ohne Grat 244 3.3.3.4 Fcrtigungsfolgen und Anwendungbeispiele... 245 3.3.4 Rundkneten 252 3.3.4.1 Verfahrensprinzip 252 3.3.4.2 Anwendungsbeispiele 253 3.3.5 Erwärmen 256 3.3.5.1 Einrichtungen zum Erwärnren 256 3.3.5.2 Oxidation beim Erwärmen und Schmieden von Stahl 258 3.3.5.3 Verfahren zur Entzunderung nach dem Schmieden 259 3.3.6 Werkzeuge zum Frei formschmieden 260 3.3.7 Werkzeuge zum Gesenkschmieden 261 3.3.7.1 Werkzeugkonzeption 261 3.3.7.2 Beanspruchung von Schmiedegesenken 262 3.3.7.3 Schadensarten in Schmiedegesenken 264 3.3.8 Schmierung beim Gesenkschmieden 266 3.3.9 Gestaltung und Eigenschaften von Schmiedestücken.. 268 3.3.9.1 Beeinflussung der Werkstückeigenschaften durch Frciformschmiedeverfahren 268 3.3.9.2 Gestaltung von Gcscnkschmiedeteilen 269 3.3.9.3 Eigenschaften von Gesenksclimicdctcilen 272 3.4 Sonder verfahren der Massivumformung 274
Inhaltsverzeichnis XIII 3.4.1 Sonderverfahren des Gesenkschmiedens 274 3.4.1.1 Genau- und Präzisionsschmieden 274 3.4.1.2 Isotherm- und Heißgesenkschmieden 276 3.4.2 Kombination der Kalt-, Halbwarm- und Warmumformung 279 3.4.2.1 Kombination Halbwarm- und Kaltmassivumformen 279 3.4.2.2 Kombination Warm- und Kaltmassivumformen280 3.4.3 Superplastische Umformung 281 3.4.3.1 Verfahrensprinzip und Voraussetzungen 281 3.4.3.2 Beschreibung des superplastischen Werkstoffverhaltens 282 3.4.3.3 Superplastischc Werkstoffe 283 3.4.3.4 Anwendungen in der Massivumformung 284 3.4.4 Thixoschmieden 285 3.4.4.1 Verfahrensprinzip und Voraussetzungen 285 3.4.4.2 Beschreibung des thixotropen Werkstoffverhaltens 286 3.4.4.3 Werkstoffe 288 3.4.4.4 Verfahren und Anwendungen 289 3.5 Walzen als Nach- oder Fertigbearbeitungsverfahren 291 3.5.1 Profilwalzen von Fertigteilen 291 3.5.1.1 Grundlagen und Übersicht über die Walzverfahren 291 3.5.1.2 Walzen von Verzahnungsprofilen 293 3.5.1.3 Gewindewalzen 302 3.5.2 Oberfiächenfemwalzen 310 3.5.3 Werkstoffe für Walzverfahren 319 3.5.4 Werkzeugbaustoffe für Walzverfahren 320 3.5.5 Reibung und Schmierung 321 4 Blechumformung 323 4.1 Tiefziehen 323 4.1.1 Grundlagen des Tiefziehens 323 4.1.1.1 Verfahrensprinzip 323 4.1.1.2 Zulässige Formänderungen 326 4.1.1.3 Kräfte 330 4.1.1.4 Reibung, Schmierung 333 4.1.2 Verfahrensvarianteri und Fertigungsbeispiele 335 4.1.2.1 Tiefziehen mit starren Werkzeugen 335 4.1.2.2 Tiefziehen mit elastischen Werkzeugen und mit Wirkmedien 342 4.1.3 Werkzeuge 346 4.1.3.1 Werkzeuggestaltung 346 4.1.3.2 Oberflächenbehandlung 348
XIV Inhaltsverzeichnis 4.1.4 Werkstückwerkstoffe 349 4.1.4.1 Blechqualitäten 350 4.1.4.2 Wärmebehandlung 351 4.1.5 Fcrtigungsgenauigkeiteu 352 4.1.5.1 Tiefziehfeh lcr 352 4.1.5.2 Maß- und Formabweichung, Oberflächenansbildung 354 4.2 KrageiiKichen 355 4.2.1 Grundlagen des Kragenziehens 355 1.2.1.1 Verfahreiisprinzip 356 4.2.1.2 Zulässige Formänderungen 357 4.2.1.3 Kräfte 359 4.2.1.4 Reibung, Schmierung 360 4.2.2 Verfahrens Varianten und Fertigungsbeispiele 360 4.2.3 Werkzeuge 363 4.2.4 Werkstoffe.... 3Q4 4.2.5 Fertigungsgenauigkeiten 364 4.3 Streckziehen 3g5 4.3.1 Vcrfahrensprinzip 355 4.3.2 Verfahreiisvariariteii 357 4.3.2.1 Einfaches Streckziehen 367 4.3.2.2 Tangentialstreckziehen 369 4.3.2.3 Streckziehen mit Gegenwerkzeug 370 4.3.2.4 Streckziehen von Profilen 373 4.3.2.5 Warmstreckziehen 374 4.3.3 Formänderungen, Werkstückwerkstoffe und Kräfte 374 4.3.4 Werkzeuge 376 4.4 Drücken 377 4.4.1 Verfahrensprinzip 377 4.4.1.1 Konventionelles Drücken 378 4.4.1.2 Projizierstreckdrücken 379 4.4.1.3 Abstreckdrücken (Streckdrücken) 381 4.4.2 Zulässige Formänderungen 382 4.4.3 Kräfte 384 4.4.4 Fertigungsbeispiele 386 4.4.5 Werkzeuge 339 4.4.6 Werkstoffe 391 4.4.7 Fertigungsqualitäten 392 4.4.7.1 Maß- und Formgenauigkeit 392 4.4.7.2 Oberflächengüte 393 4.4.8 Vor- und Nachteile des Drückens, Einsatzkriterien 393 4.5 Biegen 3g4 4.5.1 Grundlagen des Biegens 395 4.5.1.1 Vcrfahrensprinzip 395
Inhaltsverzeichnis XV 4.5.1.2 Rückfederung 396 4.5.1.3 Kleinstmögliche Biegeradien 398 4.5.1.4 Randverformung 399 4.5.2 Verfahrensvarianten 400 4.5.2.1 Freies Biegen 401 4.5.2.2 Biegen im Gesenk 403 4.5.2.3 Scliwcnkbiegen 406 4.5.2.4 Walzbiegen 407 4.5.3 Werkzeuge und Werkstückformen 411 4.5.3.1 Biegen mit geradliniger Werkzeugbcwegung.. 413 4.5.3.2 Biegen mit drehender Werkzeugbcwegung... 417 4.6 Sonderverfahren der Blechumlbrmung 422 4.6.1 Innenhochdruckumformung 422 4.6.1.1 Inncnhochdruck-Umformen von Blechen 423 4.6.1.2 Iimenhochdruck-Umfbrmeii von Hohlprofilcu. 425 4.6.1.3 Herstellbare Formen und Verfahrensgrenzen.. 428 4.6.1.4 Genauigkeit und Werkstückeigcnschaften... 429 4.6.1.5 Werkzeuge und Umformmcdien 431 4.6.1.6 Sonderanwendungen 432 4.6.2 Superplastische Blechumformung 434 4.6.2.1 Superplastizität 431 4.6.2.2 Verfahrensprinzipien 434 4.6.2.3 Werkstoffe und Anwendungsbeispiele 435 4.6.3 Formgebung mit Laserstrahlung 436 4.6.3.1 Verfahrensprinzip 437 4.6.3.2 Technologische Grundlagen 438 4.6.3.3 Anwendungsfeldcr 439 4.6.4 Hochgeschwindigkeitsumformung 441 4.6.4.1 Explosionsumformung 441 4.6.4.2 Elektromagnetisches Umformen 443 5 Blechtrennung 449 5.1 Schneiden 449 5.1.1 Grundlagen des Schneidens 450 5.1.1.1 Verfahrensprinzip 450 5.1.1.2 Sclmeidspalt 452 5.1.1.3 Schneidkraft und Schneidarbeit 453 5.1.1.4 Zulässige Sehnittteilgeotnetrie 457 5.1.1.5 Wcrkzeugverschleiß und Schmierung 458 5.1.2 Verfahreiismerkmale und -Varianten 460 5.1.2.1 Schnittliniengcometrie 460 5.1.2.2 Werkzeugführung 461 5.1.2.3 Verfahrensablauf 465 5.1.2.4 Sonder verfahren: Knabberschneiden 469 5.1.3 Fertigungsgenauigkeiten 470
XVI Inhaltsverzeichnis 5.2 Feinschneiden 473 5.2.1 Grundlagen des Feinschneidens 474 5.2.1.1 Verfahrensprinzip 474 5.2.1.2 Qualitätsmerkmale und Einfiussgrößen 479 5.2.1.3 Zulässige Schnittteilgestaltung 480 5.2.1.4 Schncidspalt 481 5.2.1.5 Schneidkantengeomctrie 481 5.2.1.6 Ringzacken 482 5.2.1.7 Ringzackenkraft 483 5.2.1.8 Gegenkraft 484 5.2.1.9 Schneidkraftbedarf 484 5.2.1.10 Reibung und Schmierung 486 5.2.1.11 Wirtschaftlichkeit 488 5.2.2 Werkzeuge 488 5.2.2.1 Werkzeugarten 488 5.2.3 Werkstoffe 491 5.2.3.1 Stähle 491 5.2.3.2 NE-Metalle 493 5.2.4 Verfahrensvarianten und Fertigungsbeispiele 494 5.2.5 Fertigungsgenauigkeiten und Bauteileigenschaften... 497 6 Fügen durch Umformen 503 6.1 Stanznicten und Durchsetz fügen 503 6.1.1 Stanznieten 503 6.1.2 Durchsetzfugen 505 6.1.3 Statische und dynamische Festigkeit 509 6.2 Bördeln und Falzen 510 6.2.1 Bördeln 511 6.2.2 Falzen 512 6.3 Anwendungsbeispiele 514 Literaturverzeichnis 517 Index 547