Kaltumformung optimieren durch komplexe Prozessbetrachtung

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Durch die Umformung kommt es bei Metallen zu einer Festigkeitssteigerung; eine sogenannte Kaltverfestigung tritt auf. Nur durch thermische Behandlungen (Glühen) des Werkstoffes lässt sich diese wieder rückgängig machen.

Kaltumformung verfestigt auch den Werkstoff

Die Verfestigung ist häufig auch gewünscht, da sie dem Werkstoff nach der Umformung eine höhere Betriebsfestigkeit als dem Ausgangsmaterial verleiht. Ab einem kritischen Wert erschöpft sich das Formänderungsvermögen, dieser Wert wird als Grenzumformgrad jG bezeichnet. Beim Überschreiten dieser Grenze kommt es zur Riss- oder Bruchbildung [1].

Das Formänderungsvermögen ist von Werkstoff zu Werkstoff verschieden, manche werden als spröde und andere als zäh oder duktil bezeichnet. Die Bezeichnungen definieren die Plastizität des Materials, sie werden aus den Verformungswerten des Zugversuches abgeleitet.

Die in der Umformung gewonnenen, bleibenden Verformungen sind die Folge der auf den Werkstoff einwirkenden äußeren Spannungen. Das Umformvermögen eines Werkstoffes ist kein fester Wert, sondern von der mittleren Druckspannung abhängig, unter der die Umformung erfolgt [2].

Risse und Brüche setzen der Kaltumformung Grenzen

Bei überwiegend mehrachsiger Zugbelastung kann es zu einem Verlust des Stoffzusammenhaltes kommen. Makroskopische Risse oder Brüche sind die Folge. Die Grenzen beim Kaltmassivumformen lassen sich auf folgende Einflussparameter zusammenfassen: das Werkstück, die Fertigungsfolge, das Werkzeug und den Werkstoff.

Die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität hängt stark von der Größe des zu fertigenden Werkstückes und von den jeweiligen genutzten Umformverfahren ab. So wirken sich Umformverfahren mit großer Relativbewegung, wie das Vollvorwärtsfließpressen, bei dem der Werkstoff durch einen Fließknoten gedrückt wird, das Querschnittsreduzieren oder das Fließnapfen positiver auf Toleranzen und Oberflächenqualität aus als Vorgänge mit einer geringen Relativbewegung, wie beispielsweise das Materialsetzen oder Vor- und Fertigstaucharbeitsgänge, bei denen der Rohling eine Formänderung in radialer Richtung erfährt.

Umformverfahren lassen sich in Computersimulation kombinieren und optimieren

Auch die Fertigungsfolge spielt eine wichtige Rolle. Heute trägt die rechnerunterstützte Konstruktion und die FEM-Untersuchung von Umformstadien einen entscheidenden Anteil bei. So lassen sich Umformverfahren bestmöglich kombinieren und optimieren.

Das zeigt oftmals, dass der Einsatz einer zusätzlichen Setzstufe, bei der scharfe Kanten zu Radien verrundet werden, zu deutlichen Steigerungen der Werkzeugstandzeiten in den folgenden Umformstufen führt. Ebenso ist zum Beispiel beim Fertigen von Hohlteilen mit Durchgangsloch auf eine exakte Abstimmung von Napfwerkzeugen und Lochstempel zu achten, da nur geringe Abweichungen zu Gratbildung und Lochversatz führen können.

Eine weitere verfahrensbedingte Grenze bildet auch die Belastbarkeit der Werkzeuge. So können diese in der Regel einen Innendruck von maximal 3000 N/mm² aufnehmen. Die Werkzeuge bedürfen bei solch hohen Spannungen im modularen Zusammenbau möglichst kleiner Toleranzen, um einen ungewollten Werkstofffluss und somit eine Gratbildung am Werkstück zu vermeiden.

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