Umformtechnik3
an der ETH
an der ETH
Weg Kraft Charakteristik, Umformkraft bei Gesenkschmieden
zuerst tief bei stauchen, danach steil bei gratbildung und steigen. am ende sehr hoch. bezogene Umformkraft (f/fmax) ist ahängig von der Gratdicke und von mittlerer Fliessspannung
Zusammenhang Umformkraft und Umformwiderstand Gesenkschmieden, Umformwiderstand
kw= Umformwiderstand= Kf/Umformwirkungsgrad
Maximale Kraft = kw*projezierte Fläche
--> bei feingliederigen Werkstücken ist kw sehr hoch.
Spannungen im Verlauf bei Gesenkschmieden mit Grat
Spannung in z Richtung und Spannung in radiale Richtung nimmt gegen innen zu.
wenn Gratbahn lange und dünn ist, bleibt die spannung im inneren höher als wenn es einen dicken, kurzen Gratspalt hat
mittlere Umformarbeit und Umformkraft Gesenkschmieden
mitt. Umfromarbeit ist gleich Höhe mal mittlere Umfromkraft
Eigenspannungen Gesenkschmieden
- Eigenspannungen gering, da kaum Dehnungen
- aussen Druckspannungen innen Zugspannungen
schmiermittel gesenkschmieden
- Graphit oder graphithaltig (da für hohe temp. anwendbar)
Arbeitsgenauigkeit Gesenkschmieden
- Feinliedrigkeit S= Verhältnis Schmiedevolumen zu Hüllvolumen
- 4 stufen
Verfahrensgrenzen Gesenkschmieden
- dünne lange Rippen: wegen Reibungskräften an der Gravur
- dünne Boden: führen zu hohen hydrostatischen Kräften
- Temperaturbereiche: obere durch soliduslinie, untere durch die abnhemende Fliessspannung
- Falten bei gratausgang
- Überlappung von zwischengraten
- Stichbildung, wenn Hohlräume zusammengedrückt werden
- Keine vetikalen Wände und nur abgerundete Kanten
Werkzstückwerkstoffe Gesenkschmieden
Baustähle, Warmarbeitsstähle
Stufenfolgen Gesenkschmieden
- trennen
- oft zuerst erwärmen
- pressen (stauchen)
- gesenkschmieden
- lochen
sonderverfahren gesenkschmieden
- halbwarmschmieden
- gesenkschmieden ohne grat
- sinterschmieden
standmenge gesenkschmieden
menge der werstücke die bearbeitet werden können ohne dass dies nachgearbeitet werden muss.
Haupteinflüsse Standmenge: Temperatur, mech. beanspruchung des gesenks, eigenspannung im gesenkblock
standmenge werkstück nimmt mit gravurtiefe, dicke und masse des rohlings ab
walzen
- Druckumformen mit einem oder mehreren sich drehenden Werkzeugen (Walzen)
- Dabei können Zusatzwerkzeuge zum Einsatz kommen (z.B. Stopfen oder Dorne, Stangen, Führungswerkzeuge).
- Die Krafteinleitung erfolgt entweder durch angetriebene Walzen oder durch vom Walzgut geschleppte Walzen.
- hohen umformgrad
- oft walzziehen dann kaltziehen
- günstig
Walzbegriffe
Walzebene, Walzspalt, gedrückte Länge, Walzöffnung, Anstellen (Einstellen der Walzöffnung=Walzensprung), Stichabnahme (Höhenabnahme des gewalzten Stücks)
Greifbedingung, Durchziehbedingung Walzen: was kann man machen für grössere Höhenunterschiede?
GB:Winkel muss kleiner sie als Reibkoeffizient
DB: Winkel muss kleiner sein als 2*Reibkoeffizient
Was kann man machen:
- Anspitzen
- Grössere Walzendurchmesser
- Reibkoeffizient
- äussere Kräfte anbringen
Stauchgrad Walzen
verhältnis Höhe1/H0
Anwendung Walzen
- Vielnutwellen
- Blechen
- Stangen
- Rohren
- Gewindewalzen
Spannung Walzen
- Druck in x und in y Richtung unter der Walze
- Bei Fliessscheide Spannnungsmaximum
- in Y-Richtung Spannung höher
- Spannungen ausserhalb von gedrückter Länge =0
Fliessscheide Walzen
Unterteilt Nacheilzone und Voreilzone
ist Spannunsmaximum, hängt ab von radium und reibwert
kann mit Haspelzug oder Bremszug verändert werden.
einflussgrössen Walzen
hebelarmbeiwert
gedrückte länge
fliesscheide
Doppelbiegung Tiefziehen
Jedes Werkstückelement wird 2 mal gebogen im Übergang von der Ziehringrundung in die Napfwand
Benennung Tiefziehteile
Wo Zug und wo Druck beim Tiefziehen?
Radial immer Zug. Die meiste radiale Zugspannung beim Übergang in den Ziehteilboden.
Tangential zuerst im Bereich der Ziehringrundung Druck. Beim Übergang in die Napfwand immer noch Druck (kann zu Falten führen), danach Zug. Maximale Zugspannung am Zieteilboden
Kritische Zone und Dickenminima beim Tiefziehen
- Kritische Zone: Anlegen der Zarge
- Dickenminima: am Ausseren Ende des Ziehringbodens und unten bei der Napfwand.
Eigenspannungen beim Tiefziehen
eigenspannungen nehmen ab mit höherem nickelgehalt --> austensitstabiler
im oberen zargenbereich, höchster martensitgehalt, wenigsten eigenspannungen
Schmierung Tiefziehen
- sorgt dafür dass sich im Bereich geringerer Blechdicke keine Falten bilden
- Makrokontaktfläche im Niederhalterbereich
- Flansch verdickt sich in Richtung niederer R-Werte, falls anisotrop
- Mikrotäler in der Oberfläche bilden Schmierstofftaschen, welche Reibflächen mit Schmiermittel versorgen.
- Hydrostatischer Druck in Schmiermittelbehälter
- Am Boden des Stempfels möglichst grosse Reibung, im Bereich der Ziehringrundung und im Napfbereich möglichst kleine Reibung
Wo wird beim Tiefziehen die meiste Kraft eingeleitet?
Im Bereich zwischen Boden und Zarge
Arbeitsgenauigkeit Tiefziehen
- Wanddicke nimmt von unten nach oben zu
- ist abhängig von ansisotropie und vom verfestigungsexponent n
- Wanddicke fliesst hin zu grösseren R werten und ist antiproportional zu
- Je höher der n-Wert und je höher der R-Wert, um so gleichmässiger ist die Dickenverteilung
- Bei tiefen R-werten oder tiefen n-Werten treten lokal grosse Dickenunterschiede auf, weshalb diese Werkstoffe schlecht tiefziehbar sind.
- minimale Delta R --> Zifpelbildung
Verfahrensgrenzen tiefziehen
- Bodenreisser: Riss an der Stempelkantenrundung: Weil grosse Formänderung an dieser Stelle führt zu Einschnürung.--> Am Boden des Stempfels wollen wir eine grosse Reibung.
- Ziehringradien: nicht zu gross sonst Falten, nicht zu klein sonst riss und biegeverluste --> Ziehringradius 5-10 mal blechdicke
- Grenziehverhältnis Durchmesser1/Durchmesser2
- wird höher mit zunehmender Stempelrundung/s
- wird höher mit höheren R-Werten
- Ziehspaltdicke sollte 1.2-1.4 mal grösser sein als Blechdicke damit kein Abstrecken stattfindet.--> besseres Grenzziehverhältnis
- Blechhalterkraft sollte nicht zu gross sein --> sonst Risse, und nicht zu klein sonst Falten
- Längsrisse: durch eigenspannung, versprödung duch umformung
- Benoit-effekt:bei dickwandigen, weichen materialien mit geringer bodenrundung
- Faltenbildung:
- ist energetisch günstiger
- stabilitätskenzahl k, wenn k>1 keine falten
- abhängig von virtuelle biegearbeit und virtuelle membranarbeit
- faltenzahl ändert sich mit diskretem radienverhältnis
- Stabilisieren gegen Falten wirken: hoher E, tiefe Streckgrenze, tiefe Verfestigung,hohe Reibung, R-Werte kompliziert ->erkläre
- Zipfelbildung: bei grossen R- Unterschieden
Folgeverbund, Mehrzüge, Fertigugnsfolge Tiefziehen
- Wenn nicht so grosses Grenzziehverhältnis beim 1 mal, dann kann grösseres Grenzziehverhältnis beim 2 mal angewendet werden.
- Beim Zweiten mal ist Niederhalterbereich rohrförmig
- Gesamtziehverhältnis= Produkt aller Grenzziehverhältnise
- oft bei konischen teilen
Einzug bei prismatischen Körpern Tiefziehen
1.Definition eines initialen Zuschnittes2.Simulation des Tiefziehprozesses3.Markierung der Soll-Endgeometrie am eingezogenen Blech4.Abwicklung dieser Kontour als „material line“ in den Ausgangszustand5.=Definition des neuen Zuschnittes
Tiefziehen ohne Niederhalter
- bei dicken blechen oder hohen geschwindigkeiten
- dann konisches Tiefiehen mit 90 Grad oder bei höheren Grenziehverhältnissen mit 30 Grad Öffnungswinkel
Tiefziehen von konischen teilen
- tiefe konische teile werden in mehreren stufen hergestellt, erst am schluss konische form
- breite konische teile mit einem ringförmigen niederhalter
stülpzug tiefziehen
- durch stülpziehen lassen sich 1 zug und weiterzug vereinen
- biegearbeit kann durch stülpziehen gesenkt werden
- mehrachwirkendes werkzeug erforderlic
Werkzeugwerkstoffe Tiefziehen
Als Werkstoffe für Tiefziehwerkzeuge kommen vorwiegend Grauguss, Stahlguss, Zinklegierungen, Kohlenstoffstähle,unlegierteund legierte Werkzeugstähle, Hartmetall und Aluminiumbronzelegierungen (Amco) in Betracht. In Sonderfällen werden auch Kunststoffe und Hartholz angewandt.Die Werkstoffauswahl hängt hauptsächlich von der Grösse, der Zahl und dem Werkstoff der herzustellendenWerkstücke ab. So wird man z.B. kleine Werkzeuge für hohe Stückzahlen aus verschleissfesten, teuren Werkzeugstählen herstellen.
Grosswerkzeuge für den Prototypenbau hingegen bestehen oft aus einem Graugussrahmen, in den die Werkstückform aus Kunstharzeingegossen wird. Lediglich hochbeanspruchte Ziehkantenwerden mit Stahleinlagenversehen. Andernteils werden auch Werkzeuge aus niedrigschmel-zendenLegierungen gegossen. Diese Methode eignet sich vor allem bei der Produktion von kleinen Losen in grösseren Zeiträumen, wie z. B. in der Automobilindustrie für spezielle Fahrzeuge und Ersatzteile.Ziehkantenwerden zwecks Erhöhung der Verschleissfestigkeit und Herabsetzung der Anfressneigungauch häufig hartverchromtoder beschichtet. Bei sehr grossen Stückzahlen werden Hartmetallwerkzeuge im beschichteten oder unbeschichtetenZustand eingesetz
Teiletransport
mit Trägergreifer: hohe hubzahl, mehr materialverschleiss. besteht auf einer horizontalen arbeitsabfolge aus seitenschneider und unmschnittswerkzeug
Mit Greifersystem, niedrige Hubzahl, sonst besser
Biegen Definition
Biegemoment in das Werkstück, es wirken bei den meisten Verfahren zusätzlich Zug und Druck Spannungen vor
- Biegeebene, Bahnebene der bewegten Punkte beim Biegen
Verschiedene Arten von Biegen und ihre einteilung
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nach geradlingier werkzeugbewegung (knickbiegen, freies biegen gesenkbiegen, rollbiegen..)
nach drehender werkzeugbewegung (walzrunden, walzprofilieren, rundbiegen, walzrichten..)
Problematik Biegen
- Rückfederung grosser Bleche nach Entlastung (autodach), vorallem bei grossen radien
- nach dem beschneiden veränderung der Goemetrie (türfalle)
--> Überbombieren der Werkzeuge und das Prägen
Biegen wird angewandt zum..
- Erstellen von Profilen (Walzprofilieren)
- biegen von Rohren
- Kombinierte Teile aus Stanz und Bögen
- Blechbiegen (Automobilkarosserie
- Blechfalzen (Blech biegen zum Bleche zusammenzufügen)
- Zum Richten von Blechen
- Biegen um danach mit IHU zu kalibieren
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Cartes-fiches
Arbeitsgenauigkeit IHU
- aussen form sehr genau
- wanddicke schwer zu steuern --> minimale wandstärke
verfahrensgrenzen IHU
- Risse aus Berstvorgängen: wenn innedruck zu gross
- Knicke aus Stauchvorgängen (axialkraft)
- Faltenbildung: bei zu hoher axialkraft und kleinem innendruck
- sehr hohe verfahrensgrenzen
- für noch höhrere umformgrade: zwischenglühen
Werkstückwerkstoffe
Edelstahl, Messing, Stahl, Kupfer, Alu
tiefe streckgrenze, hohe umformvermögen, tiefe verfestigung
Definition fliesspressen
- Kaltumformung
- Stempfel drückt Werkstück durch eine Pressbüchse (Aufnhemer und Matrize)
- Dazu gehört: Verjüngen und Abstreckgleitziehen
wirkprinzipien fliesspressen
- voll hohl napf
- vorwärts rückwarts, quer
Umformarbeit Fliesspressen
- Summe idelle Umformarbeit, Schiebungsarbeit und Reibungsarbeit
- Reibarbeit aus Wandreibung und und Schulterreibung im Schultergebiet
- Für einen Öffnungswinkel von 90 grad minimum der Schulterarbeit
Einflüsse auf das Fliesspressen
- Rohteillänge: nicht zu lang, weil sonst sehr hohe Presskraft, wegen Wandreibung. bei zu langen Zylindern (l/d0>6) nur hydrostatisches fliesspressen
- Öffnungswinkel wird so gewählt das Stempfelkraft minimal
- Stempfelform: wenn grosser Zentriwinke: runder stempfel--> kleinere stempfelkraft, wichtigste Stempfelform flach kegelig
- Umso grösser Veränderung querschnitt umso grösser die Stempfelkraft und desto instationärer Verfahren
kraft weg verlauf fliesspressen
- zuerst elastisch starke steigung
- ausfüllen der schulter
- übergang haft gleit reibung
- abnehmend wegen weniger reibung
- kraftmaximum nimmt zu mit: dehnung, mit dem öffnungswinkel und mit kf
- bei napffliesspressen mit dem durchmesser des stempfels
Eigenspannungen Fliesspressen
- Druckeigenspannungen im Kern und Zugeigenspannungen am Rand
Reibung und Schmierung beim Fliesspressen
- schmierung muss kaltverschweissung verhindern
- muss Reibkoeffizient möglichst klein machen
- Anforderungen: Druckbeständigkeit, Haftung und Zusammenhalt
- geeignet: Mineralische öle und fette
- Kaltumformung Für stahl: erfordert phosphatisierung, zinkphospaht als trennmittel mit natronseife (Schichtaufbau)
- Um oberflächengüte zu messen --> umgesetzte Schmierstoffschicht
- Schmierverfahren: Sprühverfahren oder Übergiessen
Verfahrensgrenzen Voll vorwärtsfliesspressen
- nur Stähle mit C Gehalt höher als 0.45%, wegen verfügbaren Werkzeugwerkstoffen: 3GPA
- geringer Umformgrad von höher legierten Stählen
- Stempelbelasung:maximale Dehnung A/A0= 0.8
- rohteillänge: reibung im zylinder bis l/d maximal 10
- --> verfahrensgrenzen erhöhen durch mehrstufige umformung im gleichen werkzeug
Verfahrensgrenzen Napfrückwärtsfliesspressen
- Bodendicke > Wanddicke
- Stempelbelastung: h/d muss genügend klein sein. --> knickung
Verfahrensgrenzen Hohlvorwärtsfliesspressen
- günstiger winkel: 30 grad
- Reibkräfte: h/d nicht gross aber grösser als bei vollvorwärtsfliesspressen und napffliesspressen
- Dorn genügend dick
Kombinierte Verfahren Fliesspressen und auswirkung auf Kraft
- Prinzip der Entlastungsöffnung
- kombiniertes Fliesspressen braucht weniger Kraft, wegen der Grösseren Werkzeugöffnung
Fliesspressen temparaturen
- Halbwarm 500-700 Grad
- Kalt und Warmfliesspressen
Spannungen voll vorwärtsfliesspressen
- radiale Spannung am höchsten in der Schulter
- alles Druckspannungen
- Spannung in z Richtung nach Umformen (nach Schulter) =0
- Tangentialspannung und radialspannung gleich
Spannung hohlvorwärtsfliesspressen
- Spannung in radiale Richtung am grössten
- zweit grösste radial
- alle druck
- spannung in z richtung am unteren ende 0
Stadiengang
beim fliesspressen aufeinanderfolgende operationen, welche werkzeuge entlasten. dazwischen oberflächenbehandlungen oder zwischenglühen
Benennung Werkzeuge Fliesspressen
- Matrize, Pressbüchse, Stempfel, Gegenstempfel, Armierungsring, Spannring, Dorn, Auswerfer
Belastung Werkzeuge Fliesspressen
- aufrschrumpfung von mehreren armierungsringen, da sehr hohe tangentiale zugspannungen: vorpsannen
- Auswerfer--> Druck, Knicken
--> hohe Verschleissfestigkeit, Zähigkeit, hohe Druckbelastung
Verschiedene Antriebe von Kaltumformmaschine
- Exzenterantrieb
- modifizierter Kniehebeantrieb
- horizontaler antrieb
sonderverfahren fliesspressen
- Taumeln (zwischen zwei gesenken, taumelbewegung, verzahnungen)
- abstreckgleitziehen (dünne hohlkörper, mit kleiner wanddickentollerenz, achtung ist wie napf mit boden, Fboden muss klein sein, Reibung am Stempfel möglichst gross)
- stauchen und anstauchen (nägel, mehrere stauchstufen, achtung knicken, oder schubrisse)
- verjüngen (vollvorwärtspressen ohne führungsring, achtung knicken, kleinere stempfelkraft)
- kaltgesenkschmieden (längere teile mit gekrümter achse und komplizierter geometrie, mit oder ohne grat)
- querfliesspressen (hohe kräfte, aluminium, hohe umformarbeit)
- halbwarmumformung: hohere umformgrad, kleinere kräfte, bessere oberfläche --> tiefere fliesspannung
Freiformschmieden
- Druckumformverfahren
- aufwärmen über rekristallisationstemperatur
- pörose gussgefüge in feinkörnige knetgefüge umwandeln
- ohne bleibende verfestigung
- anders als gesenkschmieden, wo das werkzeug die form enthält
- hohlstellen verschweissen oder schliessen -> rohlinge oft gusseisen haben flunker, poren ,gasblasen --> ist heute möglich mit fem zu simulieren
Wirkprinzip Freiformschmieden
Recken: Das Recken besteht aus einer Summe von nebeneinanderliegenden Drückvorgängen, durchgeführt zwischen entsprechend gewählten Schmiedesätteln.
Stauchen: Beim Stauchen eines zylindrischen Körpers müsste theoretisch wieder ein zylindrischer Körper entstehen. --> Achtung knicken
Dornen, Rundkneten, breiten
spannungen beim recken mit dünnem oder dicken stempel, wann wird eine durchschmiedung erreicht?
- dicker stempel: überall druck, dreieckige platische zone
- dünner stempfel, unten zug, oben druck
- Stempfelbreite = bisbreite
- Durchschmiedung ist abhängig von der Bissbreite/Höhe
hohlstellen
- hohlstellen sollten verschweisst werden
- nur unter hohen temperaturen
- hoher druckspannung
- beim recken muss bisbreite/höhe genügend hoch (grösser als 2.7) sein um durchzuschmieden
- w=A1/A0 ist das Verhältnis der hohlstellenflächen. w=0 bedeutet hohlstelle geschlossen.
Einflussparameter auf Recken
- Formänderungswiderstand(Umfromarbeit) : von der Geometrie und Fliesspannug abhängig, reibung vernachlässgibar
- Bissbreite:
- mit zuhmender Bisbreite--> zunehmende Kraft
- mit zunehmender Bisbreite/Breite Rohling --> grössere Breitung: material fliesst mehr in die Breite
- mit zunehmender Bissbreite/Breite --> kleinerer Formänderungswiderstand
Verfahrensgrenzen Freiformschmieden
maximal zulässiger umformgrad --> risse
minimaler umformgrad--> hohlstellen
verzerrungen vermieden werden
Faltungen: maximale eindringtiefe
Gesenkschmieden, Wirkprinzip
- Druckumformung
- mit Gesenken, ohne viel spannungen, minimaler werzeugeinsatz
- Wirkprinzipien:
- Steigen: in aushölungen gehen
- Breiten: eher in breite fliessen
- Stauchen: verringerung der anfangshöhe
Klassifizierung
- ganz umschlossenes Werzeug
- teilweise umschlossenes Werkzeug
Anwendung Gesenkschmieden
Schrauben, Muttern und Bolzen, Pleuel, Kurbelwellen
Werkzeuge wie Hämmer, Zangen, Schraubenschlüssel, Hacken, Gabeln, Chirurgische Instrumente und Schneidwaren (Messer, Scheren)
Stofffluss beim Gesenkschmieden: Begriffe
- Trennfläche: Grenze plastisch elastisch
- Fliessscheide: dort wo die fliessrichtung sich ändert
Temperatur während Gesenkschmieden
- Temperatur während Gesenkschmieden ist veränderlich.
- Es wird wärme frei durch Reibung und umformarbeit
- Erwärmung durch platische Arbeit abhängig von, proportional zu mittlere Fliesspanung, umformarbeit, antiproportional spez. wärmekapazität, dichte
- innerhalb werkstück am höchsten
Weg Kraft Charakteristik, Umformkraft bei Gesenkschmieden
zuerst tief bei stauchen, danach steil bei gratbildung und steigen. am ende sehr hoch. bezogene Umformkraft (f/fmax) ist ahängig von der Gratdicke und von mittlerer Fliessspannung
Zusammenhang Umformkraft und Umformwiderstand Gesenkschmieden, Umformwiderstand
kw= Umformwiderstand= Kf/Umformwirkungsgrad
Maximale Kraft = kw*projezierte Fläche
--> bei feingliederigen Werkstücken ist kw sehr hoch.
Spannungen im Verlauf bei Gesenkschmieden mit Grat
Spannung in z Richtung und Spannung in radiale Richtung nimmt gegen innen zu.
wenn Gratbahn lange und dünn ist, bleibt die spannung im inneren höher als wenn es einen dicken, kurzen Gratspalt hat
mittlere Umformarbeit und Umformkraft Gesenkschmieden
mitt. Umfromarbeit ist gleich Höhe mal mittlere Umfromkraft
Eigenspannungen Gesenkschmieden
- Eigenspannungen gering, da kaum Dehnungen
- aussen Druckspannungen innen Zugspannungen
schmiermittel gesenkschmieden
- Graphit oder graphithaltig (da für hohe temp. anwendbar)
Arbeitsgenauigkeit Gesenkschmieden
- Feinliedrigkeit S= Verhältnis Schmiedevolumen zu Hüllvolumen
- 4 stufen
