Fertigungsverfahren 4: Umformen

595 Pages·2017·25.85 MB·German

by  Fritz Klocke (auth.)

VDI-Buch
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Fritz Klocke
Fertigungsverfahren 4
Umformen
6. Auflage
FritzKlocke
LehrstuhlfürTechnologieder
Fertigungsverfahren
RWTHAachenUniversity
Aachen
Deutschland
VDI-Buch
ISBN978-3-662-54713-7 ISBN978-3-662-54714-4(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54714-4
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Vorwort
zumKompendiumFertigungsverfahren
Schlüsselfunktionen für die Qualität und die Wirtschaftlichkeit der industriellen Produk-
tionsinddieVerfahrenswahlunddieVerfahrensgestaltunginderFertigung.DieTechno-
logiederFertigungsverfahrengehörtzumelementarenRüstzeugdesFertigungsingenieurs.
AberauchderKonstrukteurmusssichaufdiesemGebietorientieren,dabeiihmeineho-
heVerantwortungfürdieHerstellkostenliegt. AllerdingsstehtderStudierende wieauch
der um seine Fortbildung bemühte Praktiker vor einem Informationsproblem. An einer
umfassenden und dennoch überschaubaren Darstellung der Fertigungsverfahren, deren
AugenmerksichbesondersaufdieTechnologierichtet,fehlteesbisher.DiesemBedürfnis
entsprechendsollindenhiervorliegendenBändeneinGesamtbildderwichtigstenspanen-
den und spanlosen Fertigungsverfahren gezeichnet werden, das über die Darstellung der
reinenVerfahrensprinzipienhinausvorallemauchEinblickindieihnenzugrundeliegen-
den Gesetzmäßigkeiten vermittelt, wo immer dies für das Prozessverständnis notwendig
ist.
Die Auslegung der Maschinenbauteile, der Antriebe und Steuerungen wird von
M. Weck / C. Brecher unter dem Titel Werkzeugmaschinen ausführlich behandelt. Auf
WirtschaftlichkeitsfragensowieaufdieoptimaleorganisatorischeEinbindungderMaschi-
nenindenProduktionsprozessgehtW.Eversheim/G.SchuhindenBändenOrganisation
inderProduktionstechnikein.
DieAufteilungdesWerksFertigungsverfahrenin
Band1:Drehen,Fräsen,Bohren,
Band2:Schleifen,Honen,Läppen,
Band3:Abtragen,HybrideProzesse,
Band4:Umformen
Band5:Gießen,Sintern,RapidPrototyping
fasstjeweilsVerfahrensgruppenähnlichenWirkprinzipszusammen.
V
VI Vorwort
Dem ersten Band ist ein verfahrensübergreifender Abschnitt zu den Toleranzen und
FragenderWerkstückmesstechnikinderFertigungvorangestellt.Innerhalbdereinzelnen
Bändewurdeversucht,eineenzyklopädischeVerfahrensauflistungzuvermeiden.
Die Buchreihe ist in erster Linie für den Nachwuchs in den Bereichen Fertigungs-
technik und Konstruktion bestimmt. Aber auch der Berufspraktiker wird den einen oder
anderen Band zur Hand nehmen können, um seine Kenntnisse aufzufrischen oder zu er-
weitern. Die Vielfalt der Fertigungsprobleme ist so groß wie die Vielzahl der Produkte,
und allein mit Lehrbuchweisheiten sind Fertigungsfragen nicht zu lösen. Wir wünschen
diesemBuch,dassesseinenLesernAusgangspunkteundWegebietet,aufdenensiedurch
ingenieurmäßigesDenkenzuerfolgreichenLösungengelangenkönnen.
Aachen, FritzKlocke
imMärz2006
Vorwort
Umformen
DervorliegendeBand4desKompendiumsFertigungsverfahrenbefasstsichmitdenFer-
tigungsverfahren der Massiv- und der Blechumformung. Dieses Buch basiert auf der
VorlesungFertigungstechnikunddendazugehörigentheoretischenundpraktischenÜbun-
gen, die ich an der RWTH Aachen halte. Im Rahmen der Überarbeitung der gesamten
BuchreihewurdendieInhaltederimFolgendenbeschriebenenKapitelaktualisiert.
Den Kapiteln der Massiv- und Blechumformung ist ein Kapitel Grundlagen voran-
gestellt. Darin werden umformtechnische Grundlagen, sowie Ansätze zur Berechnung
umformtechnischer Probleme behandelt. Die Finite-Elemente-Methode als wichtiges
InstrumentzurAnalysekomplexerumformtechnischerProzessewirdanhandvonAnwen-
dungsbeispielenvorgestellt.EswirdaufMethodenzurWerkstoff-undBauteilanalyseso-
wiedieErmittlungvonWerkstoffeigenschaften, insbesondereFließkurven, eingegangen.
Prozessübergreifend werden die in der Umformtechnik häufig verwendeten Werkzeug-
undWerkstückwerkstoffevorgestelltunddietribologischenAspektederUmformtechnik
inihrenGrundzügenvermittelt.
DasKapitelMassivumformungwidmetsichdengebräuchlichstenProzessenderKalt-,
Halbwarm-undWarmumformung. Esumfasstu.a. dieProzesseStauchen, Fließpressen,
Schmieden, das superplastische Umformen, Thixoschmieden und das Walzen als Nach-
oder Fertigbearbeitungsverfahren. In dieser Auflage hinzugekommen sind das Verbund-
schmieden zur Herstellung von Hybridbauteilen sowie der neu entwickelte Prozess des
hybridenVollvorwärtsfließpressens,beidemprozessbegleitendimUmformwerkzeugeine
elektrischeWiderstandserwärmungstattfindet.
Im Kapitel Blechumformung sind die zur Analyse von Blechumformprozessen not-
wendigenGrundlagenenthalten.UnteranderemwerdendieVerfahrenTiefziehen,Streck-
ziehen, Drücken und Biegen sowie einige Sonderverfahren der Blechumformung be-
handelt. Aufgrund der thematischen Besonderheit wurde das Kapitel Formgebung mit
LaserstrahlunginBand3verschoben.
VII
VIII Vorwort
DietrennendenVerfahrenSchneidenundFeinschneidenwerdenimKapitelBlechtren-
nungdetailliertdargestellt.AbschließendbefasstsichdasKapitelFügendurchUmformen
mitdenVerfahrenStanznieten,BördelnundFalzen.
FürihreUnterstützungbeiderErstellungdiesesBuchesdankeichmeinenAssistenten,
FrauDr.-Ing.O.Ozhoga-Maslovskaja,HerrnDr.-Ing.A.Feuerhack,HerrnM.Sc.RWTH
R. Hild, Herrn M. Sc. RWTH R. Mannens, Herrn M. Sc. RWTH A. Shirobokov, Herrn
Dr.-Ing.Dipl.-Wirt.Ing.M.Sc.M.TerhorstundHerrnDr.-Ing.Dipl.-Wirt.Ing.D.Trauth,
diedenBandsowohlinhaltlichalsauchvisuellüberarbeitetundaktualisierthaben.
Ferner gilt mein Dank auch den ehemaligen Assistenten, die bei der Erstellung der
vergangenenAuflagenderBändeMassivumformungundBlechbearbeitung,diealsGrund-
lagefürdiesesBuchdienten,mitgewirktundjetztleitendePositioneninderIndustrieinne
haben.
Herzlicher Dank gilt außerdem den studentischen Hilfskräften aus der Gruppe Um-
formende Fertigungsverfahren, die insbesondere bei der Überarbeitung der Bilder maß-
geblich beteiligt waren: Frau E. Barkalova, Herr L. Gröning, Herr T. Isenbügel, Frau A.
Kuhlen,HerrD.Lerch,HerrT.Nowak,FrauN.Schmitz,HerrF.Schweinshaupt,HerrC.
SturmsundHerrH.Voigts.
MeinDankgiltweiterhinFrauS.BrombyunddemSpringerVerlagfürdieeingehende
DurchsichtdesManuskripts.AußerdemmöchteichmichbeiHerrnDr.-Ing.M.Riedelfür
dieErstellungderKapitelbilderbedanken.
Aachen, FritzKlocke
imJanuar2017
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung............................................................................................ 1
Literatur............................................................................................... 3
2 Grundlagen.......................................................................................... 5
2.1 Einleitung...................................................................................... 6
2.2 MetallkundlicheGrundlagenzurErfassungdesWerkstoffzustands............. 6
2.2.1 AufbauderKristalle .............................................................. 6
2.2.2 ElastischeundplastischeFormänderungderKristalle ................... 8
2.2.3 Rekristallisation.................................................................... 13
2.2.4 AbgrenzungzwischenKalt-undWarmumformung ...................... 17
2.3 PlastomechanischeGrundlagen.......................................................... 19
2.3.1 GegenüberstellungvonKristallphysikundKontinuumsmechanik .... 19
2.3.2 DerSpannungszustand ........................................................... 19
2.3.3 Fließbedingung .................................................................... 21
2.3.4 KinematikdesKontinuums ..................................................... 25
2.3.5 Volumenkonstanz .................................................................. 29
2.3.6 Fließgesetz .......................................................................... 30
2.3.7 GrenzenderplastischenUmformung......................................... 33
2.4 PlastizitätstheoretischeLösungsmöglichkeitenfürumformtechnische
Probleme....................................................................................... 38
2.4.1 LösungsmethodenderelementarenPlastizitätstheorie ................... 40
2.4.2 Energiemethode .................................................................... 40
2.4.3 BerechnungsverfahrenmitdemStreifen-,Scheiben-und
Röhrenmodell ...................................................................... 42
2.4.4 StrengeLösung .................................................................... 44
2.4.5 Gleitlinienverfahren ............................................................... 44
2.4.6 VisioplastizitätundMessrasterverfahren .................................... 45
2.4.7 Schrankenverfahren ............................................................... 48
2.4.8 Fehlerabgleichverfahren(FAV) ................................................ 48
2.5 Finite-Elemente-Methode(FEM)........................................................ 49
2.5.1 GrundlegendeKonzeptederFinite-Elemente-Methode .................. 50
2.5.2 Lagrange’scheundEuler’scheBetrachtungdesKontinuums ........... 52
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.5.3 ExpliziteundimpliziteLösungsverfahren ................................... 52
2.5.4 ThermischeKopplung ............................................................ 53
2.5.5 Elementtypen ....................................................................... 53
2.5.6 Nichtlinearitäten ................................................................... 55
2.5.7 Stoffgesetze ......................................................................... 55
2.5.8 Software ............................................................................. 56
2.5.9 Hardware ............................................................................ 57
2.5.10 PhaseneinerFinite-Elemente-Analyse(FEA) ............................. 58
2.5.11 EinsatzderFEMinderUmformtechnik ..................................... 59
2.6 MetallographieundAnalyse.............................................................. 71
2.6.1 Einführung .......................................................................... 71
2.6.2 Lichtmikroskopie .................................................................. 71
2.6.3 Mikrohärteprüfung ................................................................ 72
2.6.4 Elektronenmikroskopie(EM) .................................................. 73
2.6.5 Präparationsmethoden ............................................................ 79
2.7 WerkstoffeinderUmformtechnik....................................................... 82
2.7.1 Werkstückwerkstoffe ............................................................. 82
2.7.2 Werkzeugwerkstoffe .............................................................. 104
2.7.3 FließkurvenermittlungundWerkstoffprüfung .............................. 113
2.8 TribologieinderUmformtechnik........................................................ 131
2.8.1 DastribologischeSystem........................................................ 131
2.8.2 Reibung .............................................................................. 133
2.8.3 Verschleiß ........................................................................... 142
2.8.4 SchmierunginderUmformtechnik ........................................... 149
2.8.5 Werkzeugeinflüsse ................................................................ 163
2.8.6 Topographieeinflüsse ............................................................. 171
2.8.7 TribologischePrüfverfahreninderUmformtechnik ...................... 175
Literatur............................................................................................... 187
3 Massivumformung................................................................................ 201
3.1 Kaltumformung.............................................................................. 202
3.1.1 Stauchen ............................................................................. 202
3.1.2 Fließpressen ........................................................................ 205
3.1.3 Kraft-undArbeitsbedarf ........................................................ 222
3.1.4 SchmierungundSchmierstoffe ................................................ 230
3.1.5 FertigungsgenauigkeitenundOberflächenqualitäten ..................... 231
3.1.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ................................................. 233
3.2 Halbwarmumformung...................................................................... 237
3.3 Warmumformung............................................................................ 240
3.3.1 DefinitionenundVerfahrensübersicht ........................................ 240
3.3.2 Freiformschmieden ............................................................... 243
3.3.3 Gesenkschmieden ................................................................. 255