Umformen

Dieser Artikel behandelt ein Fertigungsverfahren. Zum Umformen von mathematischen Gleichungen siehe Äquivalenzumformung, Lösen von Gleichungen

Umformen ist der Oberbegriff aller Fertigungsverfahren, in denen Metalle oder thermoplastische Kunststoffe wie PTFE gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Je nach Schule wird auch von bildsamer Formgebung gesprochen. Dabei wird ein urgeformtes (beispielsweise gegossenes) Vormaterial (ein Strang aus dem Strangguss oder ein Block aus dem Blockguss) in Halbzeug umgeformt (erste Verarbeitungsstufe) oder Werkstücke aus dem Halbzeug erzeugt (zweite Verarbeitungsstufe). Der Werkstoff behält seine Masse und seinen Zusammenhalt bei der Umformung. Umformen unterscheidet sich von Verformen dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Verformung ist eine ungezielte plastische Formänderung (z. B. beim Crash eines Automobils).

In der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 ist Umformen der Überbegriff der zweiten Hauptgruppe und steht neben Fertigungsverfahren wie Urformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaft ändern.

Nach dem Urformen wird der größte Teil der Werkstoffe durch Umformen zu Halbzeugen (Blechen, Drähten und anderen Profilen (beispielsweise Stäbe, Knüppel)) weiterverarbeitet. Für die Fertigung von Massenprodukten ist die weitere Umformung der Halbzeuge meist das wirtschaftlichste Verfahren.

Grundlagen

Metalle sind aus Kristalliten aufgebaut, deren Orientierung isotrop oder anisotrop ist. Plastische Formänderungen metallischer Werkstoffe erfolgen durch Fließen auf kristallographisch bevorzugten Gleitebenen und in bevorzugten Gleitrichtungen innerhalb der Kristallite. Gleitebenen und -richtungen sind abhängig vom Aufbau der Metalle und ihrer Gitterstrukturen. Es werden kubisch raumzentrierte, kubisch flächenzentrierte oder hexagonale Gitterstrukturen unterschieden. Das Umformen der Metalle geschieht durch Wandern von Versetzungen (Translation) oder durch sog. Zwillingsbildung. Wandern beginnt, wenn eine angelegte Schubspannung einen kritischen Wert (die sogenannte kritische Schubspannung) überschreitet. Bei hexagonalem Aufbau der Metalle klappt das Gitter von einer Lage in eine andere Lage (Zwillingsbildung).

Es wird zwischen Kaltumformung, Halbwarmumformung und Warmumformung unterschieden. Bei der Warmumformung wird das Werkstück vor der Umformung auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs erwärmt. Dadurch kommt es während der Umformung regelmäßig zur Rekristallisation, die einer Verfestigung des Werkstoffes entgegenwirkt. Als Kaltumformung wird eine Umformung bezeichnet, bei der das Werkstück im kalten Zustand - bei Raumtemperatur - dem Umformprozess zugeführt wird. Bei ihr kommt es zu einer Verfestigung bei verminderter Zähigkeit des Werkstoffs. Die Halbwarmumformung deckt theoretisch den Umformbereich zwischen Raum- und Rekristallisationstemperatur ab. Jedoch wird hierunter oft nur der Temperaturbereich zwischen 700 und 950 °C verstanden. Seit neuestem wird auch der Begriff der Lauwarmumformung eingeführt. Die Werkstückeingangstemperatur liegt hier zwischen 200 und 500 °C.

Wenn aufgrund der Umformung die im Werkstoff wirksamen Spannungen die Schubfestigkeit oder Trennfestigkeit ungewollt übersteigen, kommt es zu Schiebungs- oder Trennungsbrüchen, die das Werkstück unbrauchbar machen. Entgegengewirken kann man diesem Werkstoffversagen durch eine angepasstere Umformung, d. h. einen geänderten Stadiengang oder eine Temperaturerhöhung des Werkstoffs.

Heutzutage ist ein großes Forschungsgebiet in der Umformtechnik, ähnlich wie in anderen Fachbereichen, die Simulation. Mit Hilfe von verschiedenen Programmen (meist auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode, beispielsweise Autoform oder LS-Dyna) werden Umformverfahren modelliert, berechnet und die Berechnungsergebnisse visuell dargestellt. Dies ermöglicht eine genauere Fehlerprognose bei der Herstellung der Bauteile sowie die Optimierung des Materialverbrauchs und der Prozessgestaltung.

Umformverfahren

Die Umformverfahren werden nach DIN 8582 unterteilt nach den Spannungen, die die Umformung vorwiegend bewirken.

Es werden folgende Gruppen unterschieden:

Druckumformen nach DIN 8583

Umformen bei vorherrschender Druckbeanspruchung; Untergruppen:

1. Walzen zwischen zwei oder mehreren (bis zu zwanzig) rotierenden Werkzeugen, den so genannten Walzen. Beispiele hierfür sind Brammen, Bleche, Folien, Schraubengewinde.
2. Freiformen; hierzu gehören u. a. Elektrostauchen (beispielsweise als Arbeitsgang vor dem Gesenkformen von Tellerventilen), Rundkneten und Treiben.
3. Gesenkformen (Schmieden), Beispiele sind Kurbelwellen, Schraubenschlüssel, Pleuel oder Zahnräder.
4. Eindrücken, zum Beispiel Körnen oder Anreißen, Prägen von Blechteilen oder Münzen.
5. Durchdrücken, hierzu gehört das Strang- und Fließpressen, beispielsweise Fließpressen von Patronenhülsen.

Zugdruckumformen nach DIN 8584

Umformen bei gleichzeitiger Beanspruchung durch Zug- und Druckbelastungen unterschiedlicher Wirkrichtung; Untergruppen:

1. Durchziehen (Ziehen von Draht, Rohren und Profilen)
2. Tiefziehen (beispielsweise von einer Blech-Platine/Ronde zu einer Getränkedose in einer oder mehreren Stufen)
3. Drücken
4. Kragenziehen
5. Knickbauchen
6. Innenhochdruck-Weitstauchen

Zugumformen nach DIN 8585

Umformen bei vorherrschender Zugbeanspruchung; Untergruppen:

1. Längen
2. Weiten
3. Tiefen beispielsweise Hohlprägen von KFZ-Schildern
4. Werkzeugloses Drahtziehen

Biegeumformen nach DIN 8586

Gesenkbiegen auf einer Kantbank

Umformen bei vorherrschender Biegebeanspruchung; Untergruppen:

1. Biegeumformen mit geradliniger Werkzeugbewegung
   1. Freies Biegen: Biegerichten, Freies Runden, Querkraftfreies Biegen
   2. Gesenkbiegen: Gesenkrunden, Gesenksicken, Gesenkbördeln, Innenhochdruck-Biegen
   3. Gleitziehbiegen
   4. Rollbiegen: Winden
   5. Knickbiegen
2. Biegeumformen mit drehender Werkzeugbewegung
   1. Walzbiegen: Walzrunden, Walzrichten, Wellbiegen, Walzprofilieren (Walzsicken, Walzbördeln), Walzziehbiegen, Rollformen
   2. Schwenkbiegen
   3. Rundbiegen: Wickeln
   4. Umlaufbiegen
3. Biegen mit Wirkenergie

Schubumformen nach DIN 8587

Umformen bei vorherrschender Schubbeanspruchung; Untergruppen:

1. Verdrehen von Geländerstäben
2. Verschieben
3. Durchsetzen

Weitere Verfahren

• Wölbstruktur
• Guerin-Verfahren

Siehe auch

• Umformgrad
• Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580: Urformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern