FERTIGUNGSTECHNIK - Zusammenfassung

Einleitung

Bei der zweckorientierten Zustandsänderung unterscheidet man Änderungen an den Größen Stoff, Energie und Information.

In der Industrie dominiert die Forderung ein Bauteil mit bestimmten vorgegebenen Funktionsmerkmalen unter Einhaltung bestimmter betriebspolitischer Zielsetzungen zu erzeugen. Im Mittelpunkt des industriellen Produktionsprozesses steht das Funktionsverhalten eines Bauteiles im vielschichtigen Zusammenhang mit dem Werkstück, dem erzeugenden Werkzeug und der eingesetzten Werkzeugmaschine.

In der Fertigungstechnik nach DIN 8580 geht es um die Herstellung von geometrisch bestimmten Körpern. Hierfür gibt es verschieden Verfahren: Gewinnung erster Formen aus dem formlosen Zustand (Urformen), Veränderung dieser Formen (Umformen, Trennen), zusammenfügen bestimmter Formteile (Fügen), Auftragen von bestimmten widerstandsfähigen Schichten und Verbesserung (Beschichten), Änderung bestimmter Stoffeigenschaften (Veredelung der Gebrauchseigenschaften, Stoffeigenschaft ändern). Hierbei durchläuft das zu fertigende Bauteil verschiedene Zustände vom Rohzustand über den Arbeistvorgang zu einem Fertigzustand.

Bei allen unterschiedlichen Fertigungsverfahren (6 Hauptgruppen) wird ein Werkstücke mit bestimmten Eigenschaften erzeugt, das von einem Werkzeug bearbeitet und auf einer Werkzeugmaschine gefertigt wird. So finden sich die Komponenten Werkstück , Werkzeug und Werkzeugmaschine in allen Ebenen der Fertigungstechnik wieder.

Die erste Frage die sich der Fertigungstechniker zu stellen hat ist: Welche Anforderungen werden an die Funktion des Bauteiles gestellt?

Für das Funktionsverhalten des Bauteils kommen den kritischen Stellen besondere Bedeutung zu. Darauf muß die Fertigung Rücksicht nehmen.

Über die große Stückzahl läßt sich die Produktivität eines Produktes, der Preis und damit die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität regeln. Weiterhin resultiert aus der erforderlichen zu fertigenden Stückzahl der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe, Werkzeuge und Maschinen. Um im Konkurenzkampf bestehen zu können, ist das Unternehmen gezwungen, den gesamten Produktionsprozeß flexibler, rationeller und wirtschaftlicher zu gestalten. Es bedarf in der Regel einer mehrjährigen Vorbereitungszeit, bevor ein neuer Geschäftszweig rentabel ist. Die damit verbundenen Risiken und Investitionen benötigen ein profitables Programm, das die Startkosten tragen kann. Als eine der wirksamsten Reaktionsmaßnahmen zur Lösung derartiger Probleme kann auf lange Sicht die erforderliche Rentabilität nur durch ständige Rationalisierungsarbeit gesichert werden. Die Einflüsse auf ein Unternehmen, welche zur Rationalisierung zwingen, lassen sich in drei Hauptbereiche einteilen: Markt, Technologie, Sozialentwicklung.

Unter dem Produktionsprozeß versteht man alle mit der Herstellung eines Erzeugnisses unmittelbar zusammenhängenden Fertigkeiten von der Konstruktion über die Arbeitsvorbereitung bis zum Fertigungsverfahren und dem erzeugten Bauteil.

Entscheidende Rationalisierungsmaßnahmen liegen zweifellos im Ausmerzen überflüssiger Formulare sowie Listen und im Abbau personeller Überkapazitäten. Neben dem Aspekt der Rationalisierung und Automatisierung müsssen zur Beurteilung des wirtschaftlichen Gesamterfolges eines Unternehmens sämtliche technologischen Möglichkeiten ausgeschöpft werden. Die Aufgabe der Betriebsdatenerfassung ist es, alle erforderlichen Daten aus dem Betrieb zu sammeln und in verarbeitungsgerechter Form für die Fertigungsplanung und –steuerung bereitzustellen. Der gesamte Prozeß kann bezüglich des Organisatorischen Informationsflusses als ein Regelkreis aufgefaßt werden. Dieser Regelkreis besteht aus dem Fertigungsprozeß- der Betriebsdatenerfassung- Betriebsdatenverarbeitung- sowie Fertigungsplanung bzw. Steuerung des Fertigungsprozesses.

Auch die Konstruktion eines Bauteils hängt vom Fertigungsverfahren ab.

Aufgabenstellung und Inhalt der Fertigungstechnik

Ziel der wirtschaftlichen Fertigung ist es nicht, ein Produkt so genau wie möglich zu produzieren, sondern nur so genau, wie es für die spätere Funktion eines Teiles unbedingt notwendig ist. In der Fertigungstechnik geht es um die Herstellung von Werkstücken aus festen Stoffen. Eine Fertigung von absolut genauen Werkstücken ist nicht möglich. Dies liegt darin begründet, daß bei jeder Fertigung gewisse Unzulänglichkeiten der Maschinen, der Werkzeuge z.B. Verformungen durch Kräfte, Werkzeugverschleiß und vieles mehr in das Arbeitsergebnis eingehen. Hinzu kommt, daß das Messen und Prüfen ebenfalls Fehler mitsichbringt. Es müssen daher bei der Bearbeitung von Werkstücken geometrische Fertigungsfehler (Form-, Maß-, Lage-, Zylindrizitäts-, Rundheits-, Rauheitsfehler) in gewisse Grenzen zugelassen werden. Gestaltabweichungen werden eingeteilt in: Form, Welligkeit, Rillen, Riefen, Gefügestruktur, Gitteraufbau der Werkstoffe.

Während die Oberfläche eines geschmiedeten Teiles eine richtungsunabhängige Struktur aufweist, ist beim Drehprozeß quer zur Vorschubrichtung des Drehmeisels eine ausgeprägte Riefenbildung zu erkennen.

Da es für ein 3-dimensionales Gebilde äußerst schwierig ist, konkrete Meßwerte anzugeben, hat man sich bei der Messung der Oberflächentopographie auf Messung von Schnittflächen festgelegt. Man unterscheidet: Profil- , Schräg-, Tangentialschnitte, Traganteil für Fläche, Traganteil für Rundung. Dabei können ermittelt werden: Rauhtiefe, Mittenrauhwert, Glättungstiefe, Profiltraganteil.

Begriffe der Oberflächentechnik

Prüflänge lg ist die senkrechte auf das geometrisch-ideale Profil projizierte Länge des meßtechnisch erfassten Ausschnitts des Istprofils.

Bezugsstrecke l ist der Teil der Prüflänge, an der einzelne Auswertungen vorgenommen werden. Man unterscheidet Wellenbezugsstrecke und Rauheitsbezugstrecke.

Mittleres Profil ist das innerhalb der Bezugsstrecke parallel verschobene Bezugsprofil, so daß die vom Istprofil eingeschlossenen werkstofferfüllten Flächen oberhalb des mittleren Profils gleich den werkstofffreien Flächen unterhalb des mittleren Profils sind.

Bezugsprofil und Grundprofil verlaufen als Tangenten am Istprofil parallel zum mittleren Profil.

Glättungstiefe Rp ist der Abstand des Bezugsprofils vom mittleren Profil.

Rauhtiefe Rt ist der Abstand des Bezugsprofils vom Grundprofil.

Mittenrauhwert Ra ist der arithmetische mittlere Abstand des Istprofils vom mittleren Profil.

Profiltraganteil tpc ist das in Prozent angegeben Verhältnis der tragenden Länge lt des Istprofils zur Länge der Bezugsstrecke, wenn das Istprofil parallel zum Bezugsprofil um einen anzugebenden Betrag c abgetragen wird.

Zwischen den einzelnen Meßwerten ergeben sich folgende Meßwert-Beziehungen: Ra ~ 0,2 Rt ; Rp ~ 0,5 Rt

Die Angabe der Rauhtiefe allein gibt konsequenterweise keine Aussage über das Funktionsverhalten einer Oberfläche.

Den Fertigungsverfahren können bei vertretbarem Fertigungsaufwand bestimmte Rautiefenbereiche zugeordnet werden, woraus eine grobe Verfahrensauswahl für gegebene Funktionsanforderungen resultiert. So sind die Rauhtiefen beim Gießen und Schmieden erheblich größer als beim Feindrehen und Schleifen. Jedoch muß bei praktischem Einsatz des Bauteils die strukturellen Auswirkungen der Fertigungsverfahren berücksichtigt werden.

Auch die Toleranzfeldgröße hängt stark vom Fertigungsverfahren ab. Mit genauer werdender Fertigung und mit kleiner werdenden Toleranzen steigen die Kosten stark an. Das liegt zum einen in einem wesentlich höheren Meßaufwand begründet, als auch in der Anschaffung entsprechender Meß-, Lehr- und Prüfgeräte. Daneben muß für eine genauere Fertigung oft ein anderes Fertigungsverfahren gewählt werden, was längere Bearbeitungszeiten oder teurere Maschinen und Werkzeuge mitsichbringt. Oder aber die Anzahl der Bearbeitungsverfahren muß erhöht werden.

Wirtschaftlich Fertigen heißt in diesem Zusammenhang: Erzeugnisse bei Erfüllung aller technischen Anforderungen mit dem geringsten Aufwand an Arbeit herzustellen. Als Maßstab für diesen Aufwand gelten in der Industrie die dabei anfallenden Kosten. Es gibt fixe Kosten (Anschaffung einer Maschine, Abschreibung, Zinsen usw.), als auch proportionale Kosten, die mit der Produktionsmenge proportional ansteigen (Lohnkosten, Materialkosten usw.). Bei einem Kostenvergleich zweier Fertigungsverfahren werden zunächst die Fixkosten und anschließend die variablen Kosten in Abhängigkeit der Anzahl der Werkstücke bestimmt.

Urformen

Das Urformen dient dazu, einem zu verarbeitenden Werkstoff erstmals eine Gestalt zu geben. Urformen ist das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhalts. Als formlose Stoffe gelten: Gase (Aufdampfen... ), Flüssigkeiten (flüssiges Roheisen, Al, Bronze....), Pulver (Sinterpulver...), Granulat (Kunststoffe...). Entsprechend dieser Systematik unterscheidet man:

Gießen, Sintern, Galvanoplastik, Herstellung von Kunststoffteilen.

Gießen

Beim Gießen unterscheidet man entsprechend der Formherstellung verschieden Verfahren:

Gießen

Verfahren in verlorenen Formen mit Dauermodellen

Verfahren mit verlorenen Modellen Verfahren in Dauerform ohne Modell

Handformverfahren Feingießverfahren (Lost Wax) Kokillenguß

Maschinenformverfahren Vollformgießen Sondergußverfahren

Genaugießverfahren (CO2 Verfahren, Maskenformverfahren, Shaw-Verfahren)

Niederdruckkokillenguß

Schleuderguß

Druckguß

Strangguß

Handformen

Nach erfolgter Erstarrung des metallischen Werkstoffs wird die Form zerstört und das Gußstück entnommen. Form muß zugeklemmt werden, damit Oberkasten nicht aufschwimmt. Eine Variante des Handformverfahrens ist das Schablonenformverfahren. Hierbei wird kein vollständiges Modell benötigt, sondern nur eine drehende Scheibe.

Maschinenformverfahren (Serienfertigung)

Hierbei übernehmen Formmaschinen folgende Arbeiten: Sandabzug aus dem Bunker, Verdichten des Sandes durch Rütteln, Pressen Vibrieren, usw., Wenden und Abheben von Formkästen, Abblasen der Modelplatte. Grundsätzlich unterscheidet man hierbei zwei Maschinentypen: Maschinen mit nur einer Funktion, die sich zu einer Fertigungskette ergänzen lassen. Vollautomatische Formaggregate zur Herstellung einer kompletten Form. Durch Kombination verschiedener Maschinentypen lassen sich Formanlagen bauen. Beim Maschinenformverfahren sind die Formkästen so zu gestalten, daß genauer Anschlag, Aufnahme und Übergabe gewährleistet ist.

Genaugießverfahren

Bei der Konstruktion von Genaugießverfahren ergeben sich i. d. R. wegen der hohen erzielbaren Maß- und Formgenauigkeit folgende allgemeine Vorteile: spanende Bearbeitung kann stark eingeschränkt werden, daher geringe Bearbeitungszugabe, Einsparung von Fertigungszeiten bei

schwerbearbeitbaren Werkstoffen, Minimaler Werkstoffaufwand, da dünne Wandungen gegossen werden können.

Kohlensäure Erstarrungsverfahren

Eine Möglichkeit die zeitintensive Ofentrocknung der Formen und Kerne zu umgehen, besteht im CO2-Verfahren (auch Wasserglasverfahren).

Maschinenformverfahren (Croning-Verfahren)

Entwickelt 1944, nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich. Prinzip: Quarzsand + 4 - 10 % Phenolharz. Harzlösung in Methylalkohol mit Sand vermischt. Eingeblasene Luft verflüchtigt Lösungsmittel, zurück bleibt rieselfähiges Sandkorn mit Harzumhüllung. Formherstellung meist nach: C-Verfahren I: Auf erhitzte Metallmodellplatte wird Sand geschüttet oder aufgeblasen. Nach 4-8 s durch Harzschmelzen 4-8 mm dicke Kruste. Dann nicht gebundenen Sand abschütten. Maske 1,5 min bei 4500C härten ( Ofen oder el.beh. Haube). Fertige Formmaskenhälfte abheben. Oder Formherstellung nach. C-Verfahren II'( Dietert-Verf.): Über Modelplatte noch beheizte Konturenplatte im Abstand der gewünschten Maskenschichtdicke. Hohlraum meist pneumatisch mit Croning-Sand gefüllt ( sonst wie 1).

Vorteile: Geringer Formstoffverbrauch, hohe Konturengenauigkeit, gute Gasdurchlässigkeit.

Anwendung: alle üblichen Gußwerkstoffe, wie GG, GS, Edelstahl, Leichtmetall, Cu-Leg, Rippenzylinder, Lauf - und Leiträder f. Turbopumpen, Schrägsitzventile aus hochleg. Stahl. Geeignet für autom. Herstellung großer Stückzahlen.

Shaw - Verfahren

Ein neuzeitliches Formverfahren fur Präzisionsguß zur Herstellung von Gußteilen ist das in England entwickelte Shaw-Verfahren. Feingepulvertes hochfeuerfestes Material ( keramische Formmasse) wird mit Äthylsilikat als Bindeflüssigkeit gemischt. Das Modell wird mit Trennmittel besprüht und der angesetzte Formbrei wird über das Modell gegossen. Der Zusatz eines Beschleunigers läßt die Masse unter Freiwerden von Alkohol in beliebig einstellbarer Zeit gelieren. So erstarrt der Brei auf dem Modell in wenigen Sekunden. Die Formhälften können nun von dem Modell abgehoben werden. Sie müssen abgeflammt werden und anschließend legt man die beiden Formhälften zusammen und verkittet sie. Unmittelbar vor dem Vergießen werden die Formen ca. 1 Stunde in einem Ofen auf 800 C bis 10000C erhitzt.

Anwendung: kleine bis mittlere Stückzahlen bei hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Leg.Stahl, GG, Bz,MS, Al und Al-Legierungen.

Feinguß-Verfahren (Lost Wax)

Ältestes Gießverfahren. "Verlorenes" Modell: für jedes Werkstück ein Wachsmodell. Um Modell wird feuerfeste Masse gebracht, nach deren Trocknung Modell ausgeschmolzen und entstandener Hohlraum mit Schmelze ausgegossen wird. Bei großen Stückzahlen: Kokille z. Anfertigung der Wachs- oder Kunststoffmodelle aus Cr-Stahl ( verschleißfest). Zusammenfassung einer größeren Zahl von Einzelmodellen zu Modelltraube. Dann Tauchen in eine Aufschlämmung von feuerfestem Binder und Bestreuen mit Sand, diesen Vorgang mehrmals wiederholen, bis ausreichende Maskendicke erreicht ist, Lufttrocknung, Hinterfüllen der Gießtraube mit feuchter keramischer Masse, Trocknen bei Temperatur, bei der Modell schmilzt, Formbrennen ( 6-8 h bei 6 h bei 800-1100 C). Abgießen der heißen Form.

Anwendung: komplizierte kleine Teile, v. Schreib -und Rechenmaschinen. Leit - und Laufschaufel. Es werden 0berflächengüten mit Rt Werten um 15 µm erreicht. Alle gießbaren Werkstoffe, auch Leg. auf Co - und Ni-Basis fur Gasturbinenteile, besonders Werkstoffe, die nicht bearbeitet werden können.

Vollform-Gießen

Verlorenes Modell aus feinporigem Polystyrol-Hartschaum, das in einteiligem Formkasten mit Formsand umstampft wird, dabei auch Einguß, Anschnitt und Druckkopf aus Hartschaum. Modell vergast beim Eingießen der Metallschmelze, Gußstücke gratfrei, da einteilige Form, aber heute unsaubere Oberfläche.

Anwendung: Prototypen, Kleinserien, eiliger Ersatzteilguß bei fehlendem Holzmodell, große Werkstücke

Druckguß

Druckguß ist Gußerzeugnis, bei dessen Herstellung Metall in flüssigem (bei Cu-Leg. in breiigem) Zustand oder unter hohem Druch schnell in genau gearbeitete Dauerform aus Stahl gedrückt wird. Zur Verarbeitung kommen hauptsächlich Zn-Mg-Legierungen, Cu-Legierungen, heute nur noch selten Pb- und Sn-Legierungen. Nur für große Serie (große Maschinen, teuere Werkzeuge). Es haben sich zwei Verfahren herausgebildet: das ältere, ursprünglich für niedrigschmelzende Pb- und Sn-Legierungen entwickelte Warmkammerverfahren (Druckkammer und Warmhaltbehälter werden auf Gießtemperatur gehalten) und das jüngere, eigentlich für höherschmelzende Metalle entwickelte Kaltkammerverfahren (Druckkammer von Warmhaltbehälter getrennt).

Luftabfuhr aus Gießform durch seichte Schlitzanschnitte in mehrere um Werkstückbegrenzungen angeordnete Luftsäcke oder in um ganzes Werkstück herum angeordneten Kranzkanal, wesentlich erleichtert durch Vakuumguß.

Vorteile: Relativ hohe Maßgenauigkeit und kleiner Maßstreubereich innerhalb einer Serie, Freizügigkeit der Gestaltung, Werkstoffeinsparung durch geringe Wanddicke, trotz guter Festigkeit, hohe Oberflächengüte, hohe Wirtschaftlichkeit, geringster Werkstoffeinsatz.

Anwendung: Bau von Kraftfahrzeugen, Geräten der E-Technik und Optik, Reißverschlusse...

Mindeststückzahl aus Wirtschaftlichkeitsgründen: stark abhängig von Kompliziertheit der Form. Im allgemeinen lohnend ab Stückzahlen > 2000.

Kokillenguß

Gießen flüssiger Metalle in metallische Dauerformen: bei Atmosphärendruck, Gießen mit Unterdruck, Gießen unter Vibration der Kokille, Schleuderguß, Sturzguß, Niederdruckguß. Graphit als Trennmittel. Vorteile gegenüber Sandguß: geringere Herstellungskosten bei Massenware, saubere Oberfläche, bessere Maßhaltigkeit, höhere Festigkeit wegen besserer Dichte... . Werkstoffe: GG und Stahl.

Schleuderguß

Flüssiges Metall wird in waagerecht oder senkrecht angeordnete, um ihre Längsachse schnell umlaufende, Form eingebracht. Durch Fliehkraft erstarrt Schmelze als zylindrischer Körper an Formwand. Rohrform wird ohne Kern erzeugt. Vorteile: einfache Maschinen, Werkstoffersparnis, hohe Festigkeit, keine Gasblasen oder Lunker. Nachteil: Leichte Fremdkörper und Verunreinigungen streben zur Mitte und sammeln sich dort an.

Strangguß

Herstellung von Voll- und Hohlprofilstangen aus Eisen- und NE-Metallen nach einem kontinuierlich arbeitenden Gießverfahren. Flüssiges Metall wird in Kokille ohne Boden gegossen, in der der Schmelze so viel Wärme entzogen wird, daß mindestens eine haltbare Außenhaut ensteht. Danach kontinuierlicher Abzug der erstarrenden Stange. Vorteile: Kontinuität ergibt größere Gießleistungen, weniger Personalbedarf, gute Qualität des Gießproduktes.

Vakuum-Vormverfahren

Die Vakuum-Formherstellung nutzt die physikalische Eigenschaft des formtreuen Erstarrens rieselfähiger Güter unter Vakuum.

Kostenvergleich

Bei großem Aufwand zur Formherstellung (Druckguß, Feinguß) wird das Verfahren erst bei höheren Stückzahlen wirtschaftlich. Da die Formen mindestens mit der Toleranz gefertigt werden müssen, die mit dem jeweiligen Gießverfahren an sich erreicht werden können, liegt hier zusammen mit den Maschinen und Anlagen der Kostenschwerpunkt, der auf möglichst viele Bauteile umgelegt werden muß. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bildet daher eine Grundvorraussetzung für die Entscheidung für ein Gießverfahren.

Konstruktionsrichtlinien für das Gießen

Die beiden Hauptforderungen für die Gestaltung eines Gußbauteiles sind: gute Formfüllbarkeit und gute Erstarrungsmöglichkeit. Neben diesen Richtlinien, die über die Höhe des Ausschusses bzw. über die Betriebssicherheit eines Werkstücks entscheiden, muß bereits bei der Verfahrensauswahl geprüft werden, ob das Gußteil entformbar ist.

Form- und gießgerechtes Konstruieren:

Das Abkühlen eines gegossenen Werkstücks auf Raumtemperatur bewirkt sowohl im flüssigen, wie auch im festen Zustand eine Volumenkontraktion, die als Schwindung bezeichnet wird. Darüberhinaus ist die Abkühlgeschwindigkeit dem gegossenen Volumen umgekehrt proportional, d.h. dünnere Querschnitte erstarren schneller als dickere. Diesen beiden Eigenschaften (Schwindung, Erstarrungsgeschwindigkeit) muß bei der Konstruktion Aufmerksamkeit geschenkt werden, um Fehler (Untermaß, Verzug, Risse) zu vermeiden. Das Untermaß wird vermieden, indem die flüssige Schwindung durch, nach Größe und Lage, geeignete Speiser ausgeglichen und für die feste Schwindung ein entsprechendes Werkstückaufmaß ermittelt und zugegeben wird. Dem Verzug begegnet man am wirkungsvollsten indem Querschnittsunterschiede möglichst vermieden werden. Extremfälle von Querschnittsunterschieden können Spannungen bewirken, die die Dehngrenze eines Werkstoffs überschreiten und somit zu Rissen oder Brüchen führen. Dieses ist besonders bei Materialanhäufungen mit behinderter Kontraktion oder scharfkantigen Querschnittsübergängen der Fall.

Beanspruchungsgerechtes Konstruieren:

Beim Entwurf eines Gußstücks müssen, wie bei anderen Fertigungsverfahren auch, die wesentlichen im Betrieb und bei der Bearbeitung auftretenden Belastungen nach Größe und Richtung bekannt sein. So sollten z.B. hochbeanspruchte Gußteile auf Druck und nicht auf Zug belastet werden und eine geeignete Verrippung kann die Torsionssteifigkeit eines Werkzeugmaschinenständers z.B. um 360% erhöhen.

Sintern (Pulvermetallurgie)

Einleitung

Die Anwendung pulvermetallurgischer Verfahren ist erst etwa 150 Jahre alt. Die industrielle Bedeutung erlangte die Pulvermetallurgie bzw. die Sintertechnik jedoch erst in unserem Jahrhundert. Die markantesten Erfolge waren zunächst die Verarbeitung von Wolframpulver zu feinsten Drähten im Jahre 1909 und die Erfindung der Sinterhartmetalle im Jahre 1922. Es folgten in den dreißiger Jahren die Herstellung von Sintermagneten und etwas später die von Kontaktwerkstoffen in Form von Tränklegierungen. Der Einsatz von Bauteilen aus Sintereisen, Sinterstahl und Sinterbronze sowie poriger, gesinterter Gleitlager stieg seit den dreißiger Jahren kontinuierlich. Die breite Anwendung der Sintertechnik hat sich jedoch in Europa erst nach 1945 durchsetzen können. Spätere Erfolge der Sintertechnik sind gekennzeichnet durch die Entwicklung dispersionshärtbarer Werkstoffe, durch die Herstellung neuartiger Verbundwerkstoffe, durch die Verarbeitung intermetallischer Phasen nach pulvermetallurgischen Verfahren und durch die Einführung der Metallfilter.

Gründe für die Anwendung der Pulvermetallurgie

Das Sintern ist ein Herstellungsverfahren der Massenfertigung. In vielen Fällen sind Serienteile so konstruiert, daß von der Form und vom Werkstoff her zunächst mehrere Herstellungsverfahren in Frage kommen. Für die Entscheidung, welches Verfahren vorzuziehen ist, sind sowohl technische Forderungen als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte maßgebend. Verfahren der Massiv- und der Blechumformung sowie Schneide- und Gießverfahren sind stets in Konkurrenz zur Pulvermetallurgie zu sehen.

Gründe für die Anwendung der Pulvermetallurgie:

Erzeugung von Werkstoffen mit spezifischen Eigenschaften, die nur pulvermetallurgisch herstellbar sind, z.B. duktile Metalle mit hohem Schmelzpunkt, Hartmetalle, Pseudolegierungen, Legierungen aus Metallen mit stark unterschiedlichem Schmelzpunkt, Werkstoffe mit definierter Porösität.

Erzeugung von Werkstoffen, die nach anderen Verfahren nur mit großem Aufwand herstellbar sind, z.B. Reinstmetalle und Legierungen, Werkstoffe mit gleichmäßigen Eigenschaften, Legierungszusammensetzungen und Gefügen. Wirtschaftliche Herstellung von Serien ab ca. 5000 Stück.Gleichmäßigkeit in Form und Maßhaltigkeit innerhalb einer Serie, gute Oberflächenqualitäten. Herstellbarkeit komplizierter Formen, wie Verzahnungen, Kurven, Formlöcher usw. mit engen Toleranzen. Gute Gleiteigenschaften durch Öltränkung bei porösen Teilen. Einbaufertige Ausformung, die nur in Ausnahmefällen eine spanabhebende Nacharbeit erfordert. Möglichkeit von Einsatzhärtung, Vergütung oder Dampfbehandlung an Sinterstahlteilen.

Verfahrensschritte in der Pulvermetallurgie

Die Verfahrensschritte in der Pulvermetallurgie sind: die Erzeugung der Pulver, das Mischen, das Pressen und das Sintern, woran sich noch ein Nachpressen wie z.B. das Kalibrieren und eine Nachbehandlung anschließen kann. Alle Hartmetalle bestehen nur aus 3 Komponenten: Wolframcarbit, Titantantalcarbid, Cobalt (Bindematrix, bei 1200°C wie Kleber). Nach DIN 30900 umfaßt der Begriff Pulvermetallurgie das Herstellen von metallischem Pulver und das Herstellen von Teilen aus diesem Pulver durch Formen und Sintern. Sintertechnik ist die alle Verfahrensschritte umfassende Technik zum Herstellen eines Sinterteiles mit Ausnahme der Pulvererzeugung.

Preßtechnik und Preßwerkzeuge:

Durch Verpressen metallischer Pulver in einer Preßform werden Formkörper (Preßlinge) hergestellt. Die mechanische Festigkeit der Preßlinge (Grünlinge) muß so groß sein, daß sie auf dem Transport zum Sinterofen formstabil bleiben. Die Dichte und die Dichteverteilung dieser Formkörper und auch der Sinterteile hängen wesentlich vom Preßdruck und der Verdichtungsart ab. Die Problematik bei der Herstellung eines Preßkörpers mit gleichmäßiger Dichteverteilung (Skript).

Ausstoßverfahren:

Hier ist die Matrize auf Federn gelagert und führt beim Preßvorgang, bedingt durch die Wandreibungskräfte, eine Relativbewegung in Preßrichtung durch.

Abziehverfahren:

Beim heute vorwiegend angewandten Abziehverfahren wird die Matrize beim Preßvorgang zwangsweise abwärts bewegt.

Der Werkzeugherstellung kommt in der Sinterfertigung eine sehr große Bedeutung zu. Neben den Bedingungen, daß ein Preßwerkzeug verschleißfest sein muß und nur sehr enge Maßtoleranzen aufweisen darf, führen formschwierige Sinterteile zu sehr komplizierten und teueren Werkzeugen. Der Preßdruck wird durch die Festigkeit der Preßwerkzeuge begrenzt. Die maximale Preßkraft der Pressen und der maximale Preßdruck bestimmen die Bauteilgröße.

Sintern:

Unter Sintern versteht man eine mit oder ohne Anwendung von äußerem Druck nach Zeit und Temperatur genau gesteuerte Wärmebehandlung eines Systems sich berührender Einzelteilchen, bei der durch Diffusionsvorgänge eine Verfestigung eintritt. Dabei muß zur Erhaltung der Formbeständigkeit mindestens eine feste Phase erhalten bleiben. Die Sinterbedingungen, wie Sintertemperatur, Sinterdauer und Sinteratmosphäre werden durch den Sinterofen gesteuert.

Einteilung der Sinterwerkstoffe

Neben der chemischen Zusammensetzung des Sinterwerkstoffes ist in besonderem Maße seine Dichte bzw. Porösität eine Kenngröße für die Gebrauchseigenschaft und das bevorzugte Anwendungsgebiet. Dementsprechend wird als Hauptkriterium für die Einordnung der Werkstoffe die Porösität bzw. die Raumerfüllung (Verhältnis aus der Dichte des Sinterkörpers und der Dichte des porenfreien Körpers) gewählt. Die weitere Einteilung innerhalb der Klassen erfolgt nach der chemischen Zusammensetzung und wird durch zwei Ziffern angegeben.

Konstruktionsrichtlinien für Sinterteile

Im Hinblick auf die mögliche Geometrie des Preßwerkzeuges sind spezielle Richtlinien zu beachten: Hinterschneidungen sind i.a. nicht möglich, mehrfach unterteilte Stempel erhöhen den Werkzeugpreis,

möglich Toleranzen für die Schwindung während des Sinterns sind zu berücksichtigen. Weitere Bearbeitung durch Zerspanen, Härten, Infiltrieren, Oberflächenbehandeln, Schweißen, Zusammensintern sowie Kleben. Neben der Formgestalt stellt das Stückgewicht von 0,1 bis 1 kg die wesentliche Grenze der Pulvermetallurgie dar. Infolge hoher Werkzeugkosten beginnt die wirtschaftliche Stückzahl erst oberhalb 5000 Stück.In dieser Größenordnung steht sie jedoch verfahrenstechnisch in Konkurrenz zum Gießen.

Galvanoplastik

Herstellung oder Reproduktion von Teilen durch elektrolytische Metallabscheidung. Typisch für das Verfahren: Trennung der Niederschläge von der Form der Matrize, in der sie hergestellt werden; hohe Oberflächengüte und Abbildungsgenauigkeit.

Prinzip der Galvanoplastik oder Galvanoformung:

Elektrolytische Zelle mit äußerer Stromquelle: bei Anliegen einer Gleichspannung Oxydation der Anode (Metallatome gehen in Lösung in den Elektrolyten) und Reduktion an der Kathode (Metallionen entladen sich an der Kathode und setzen sich dort ab). Elektrolyte: Salzlösungen, die das Metallion als Kation oder in gebundener Form enthalten; außerdem viele Zusätze für: Oberflächenverbesserung, Spannungsfreiheit, Festigkeit, Härte, Dichte... Die Arbeitsgänge bei der Herstellung einer Spritzgußform: zunächst Ni- dann Cu-Abscheidung, Nickel ist härter und verschleißfester, Kupfer dient zur Hinterfütterung.

Merkmale der Galvanoplastik:

Abformen von kompliziert geformten Teilen, exakte Abbildung feinster Details einer Oberflächenstruktur. Hervorragende Oberflächengüte, engste Toleranzen können vom Modell auf das galvanogeformte Teil übertragen werden.

Form- und Sprizgießen von Kunststoffen

Einleitung

Kunststoffe sind Stoffe der organischen Chemie, d.h. ihr wesentlicher Bestandteil ist Kohlenstoff (bildet Ketten und Ringe). Bei der Verarbeitung unterscheidet man Thermoplaste und Duroplaste. Thermoplaste haben die Struktur einer Kette. Die Kettenmoleküle frieren in der durch die Wärmeverarbeitung erreichten Lage ein und können durch Wiedererwärmen wieder aufgetaut werden. Die Verformung geschieht in Temperaturbereichen zwischen Einfriertemperatur und Fließtemperatur. Bei Wiedererwärmung tritt eine Rückerinnerung der Moleküle ein, die infolge des eingenommenen Zwangszustandes in ihre alte Lage zurückstreben möchten (Thermorückfederung). Die duroplastischen Kunststoffe kann man sich durch zunehmende Vernetzung vorher linearer Kettenmoleküle vorstellen. Dabei ist es möglich, die Vernetzung durch Wärmezugabe zu steuern. Das heißt Duroplaste härten i.a. während der Verarbeitung aus. Die so entstandenen Formteile sind dann nicht mehr umformbar. Elastomere stehen zwischen beiden.

Verarbeitung von Kunststoffen

Im alltäglichen Gebrauch trifft man überall auf Kunststoffe. Nach der Verarbeitung unterscheidet man: Formteile (in einem Arbeitsgang hergestellt), Halbzeuge (Rohre, Profil usw.), Fäden und Fasern. Für die in Frage kommenden Verarbeitungsverfahren liegen die entsprechenden Vorprodukte entweder in flüssiger bzw. schmelzbarer Form oder als sogenannte Formmasse vor (Spritzgießen, Pressen), während das Warmumformen (Ziehen, Blasen) nur an vorgefertigten thermoplastischen Halbzeugen vorgenommen werden kann. Unter Formmasse versteht man Granulate von Thermoplasten oder pulvrige, körnige, faserige und schnitzlige Aufbereitung von duroplastischen Harzen mit geeigneten Füll- oder Verstärkungsstoffen (Pressmasse).

Man unterscheidet: Gießen (keine große Bedeutung), Spritzgießen (Formteile aus thermoplastischen und härtbaren Formmassen), Pressen (Formteile aus härtbaren Kunstharzen), Vakuumformen (thermoplastische Teile, Trinkbecher), Blasen (thermoplastische Teile, Flaschen), Extrudieren (Halbzeuge aus thermoplastischen und auch härbaren Kunststoffen, Rohre), Kalandrieren (Folien aus thermoplastischen Kunststoffen).

Spritzgießen

Gängigstes Verfahren zur Herstellung von Formteilen. Arbeitsablauf klar!

Pressen

Eine für diesen Zweck hergestellte oder aufbereitete Formmasse wird in das heiße Werkzeuge eingebracht und fließt beim Schließen des Werkzeuges unter Druck in alle Teile der Form. Formmassen aus härtbaren Kunststoffen durchlaufen in der Form die letzte Stufe ihrer Bildungsreaktion (Aufschmelzen und Vernetzen) und werden deshalb ohne Abkühlung aus den heißen Formwerkzeugen entnommen. Thermoplastische Formmassen, die in der heißen Form aufschmelzen, können erst nach deren Abkühlen entformt werden.

Warmumformen

Dem von der Blechverarbeitung her bekannten Tiefziehen entspricht eine Reihe von Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thermoplatischen Kunststoffen. Eine für diesen Zweck vorgefertigte Kunststoffplatte oder Folie wird durch Heißluft, Infrarotstrahlung oder Hochfrequenzbeheizung über die Einfriertemperatur erwärmt. In diesem thermoplastischen Zustand wird die Platte durch Luft in ein Formwerkzeug gedrückt, z.B. Herstellung von Trinkbechern.

Blasen

Zur Herstellung von Hohlkörpern werden Schlauch- oder Rohrabschnitte im plastisch-weichen Zustand in ein zweiteiliges Formwerkzeug eingeführt und nach Schließen der Form mit Luft aufgeblasen, so daß sie sich an die Formwandungen anlegen. Das thermoplastische Vorprodukt kann entweder durch Erwärmen oder noch unmittelbar plastisch aus dem Extruder in die Form eingeführt werden.

Extrudieren

Der Extruder besteht in seiner einfachsten Form aus einem Plastifizierzylinder, in dem eine eingängige Schnecke mit gleichmäßiger Steigung und unterschiedlichem Kerndurchmesser gelagert ist. Das am einen Ende durch einen Einfülltrichter zugeführte Material wird von den Schneckengängen erfasst, durch den Zylinder gefördert und am anderen Ende durch ein Mundstück ausgestoßen. Auf dem Wege durch den Zylinder wird das Material geknetet und infolge der Erwärmung an der beheizten Zylinderwand plastifiziert. Um die entstehende Friktionswärme zu steigern verwendet man auch Schnecken, bei denen der Kerndurchmesser gleichmäßig zunimmt (Kernkompression) oder bei denen die Steigung der Schneckengänge allmählich abnimmt. Meist ist die Schnecke in mehrere Zonen eingeteilt, bei denen die genannten Prinzipien nebeneinader verwirklicht sind. Die extrudierten Rohre werden nach dem Austritt aus der Düse meist mit Wasser abgekühlt. Bei Rohren i.a. Kalibrierung notwendig. Da die Kalibrierung nach dem Verlassen des Spritzkopfes bereits im thermoplastischen Zustand vor sich geht, bleiben infolge der Thermorückfederung Spannungen in der Rohrwand zurück.

Kalandrieren

Eine Formgebung durch Walzen, wie sie aus der Metallindustrie z.B. beim Walzen von Blechen bekannt ist, wird i.d. Kunststoffverarbeitung als Kalandrieren bezeichnet. Der Walzspat ist verstellbar und die beiden Walzen können mit unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden, um eine optimale Misch- und Knetwirkung zu erreichen.

Herstellen von Fäden und Fasern

Fäden (monofile Erzeugnisse) und Fasern nehmen einen erheblichen Teil der gesamten Kunststofferzeugung ein. Die Fäden werden einzeln oder verdrillt oder in Form von Geweben verwendet, die Fasern werden allein oder mit Naturfasern zusammen versponnen und nach den Verfahren der Textilindustrie weiterverarbeitet.

Herstellung von Schaumteilen

Beim Schäumen von hochpolymeren Werkstoffen werden verschiedene Arbeitsweisen unterschieden.

1. Dem zu verarbeitenden Plastwerkstoff wird ein spezielles Treibmittel zugesetzt, das drucklos oder unter höherem Druck dem schmelzflüssigen Plastwerkstoff beigemischt wird (z.B.

Herstellung von PUR-Schaum). Durch Zusatz von Wasser während des Reaktionsprozesses schäumt das Polymethan auf. Je nach Mischungsverhältnis und Reaktionsführung lassen sich harte oder weiche Schäume von verschiedenen Raumgewichten herstellen. Hartschäume werden zur Wärme- und Schalldämmung im Bauwesen und für Leichtbauplatten im Karosserie- und Waggonbau eingesetzt. Für Verpackungsmaterialien werden meistens Polysterolschaumstoffe eingesetzt.

2. Es werden zwei Stoffe gemischt, die entweder sofort oder erst nach der Wärmewirkung unter Gasabspaltung miteinander reagieren, den zu verarbeitenden Werkstoff aufschäumen und dann in den festen Zustand übergehen (Integralschaum).

Umformen Einleitung Umformen ist Fertigen durch bildsames Ändern der Form eines festen Körpers. Der Fertigungstechniker wird von Seiten des Marktes, der Technologie und aus dem Bereich der Sozialentwicklung in immer stärkerem Maße dazu gezwungen sämtliche technologische Möglichkeiten der einzelen Verfahren auszuschöpfen. Dadurch ergeben sich für das Umformen folgende Vorteile: Einsparung an Einsatzmaterial, hohe Mengenleistung bei geringen Stückzahlen, Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Verbesserung mechanischer Werkstoffeigenschaften, Nutzung ausgewählter Umformverfahren zur Erzielung hoher Maß- und Formgenauigkeit der Werkstücke. Hierfür müssen die entsprechenden technologischen Voraussetzungen geschaffen werden. Grundlagen der Umformtechnik Einleitung In der Fertigungstechnik steht stets die Frage im Vordergrund: wie fertige ich ein bestimmtes technisches Produkt mit bestimmten Maß- und Formtoleranzen, Oberflächenbeschaffenheit, Stoffeigenschaften und Funktionsverhalten am wirtschaftlichsten? In Forschung, Entwicklung und Praxis ist ein systematisches Vorgehen bei der Betrachtung von Umformvorgängen notwendig, da die bei verschiedenen Umformverfahren gewonnenen Erkenntnisse in mehr oder weniger abgewandelter Form auch auf andere Verfahren übertragen werden können. Metallkundliche Grundlagen Begriffe der elastischen und plastischen Formänderung Die Formänderung eines Körpers erfolgt durch äußere Kräfte, die an dem Körper angreifen. Man unterscheidet elastische und pastische Formänderungen. Bildet sich der deformierte Körper nach Aufheben der äußeren Belastung vollkommen auf seine Ausgangsform und –abmessungen zurück, so spricht man von elastischer Formänderung. Die elastische Formänderung im Metall erfolgt aufgrund einer Verschiebung der Atome aus der Lage des stabilen Gleichgewichts (Lage der Atome, bei der ein Minimum an potentieller Energie vorhanden ist). Bei der elastischen Formänderung ist die Atomverschiebung nicht größer als ein Atomabstand. Infolge der Änderung des Atomabstands ist die elastische Formänderung mit einer umkehrbaren Volumenänderung verbunden. Dieser Vorgang wird funktional mit dem Hooke´schen Gesetz beschrieben. Plastische Formänderung entsteht durch Verschiebung der Atome in eine neue Lage des stabilen Gleichgewichts. Dabei kann die Verschiebungsgröße bedeutend größer als ein Atomabstand sein. Bei der plastischen Formänderung setzt sich die durch äußere Kräfte hervorgerufene Gesamtformänderung aus plastischer und elastischer Formänderung zusammen, wobei letztere nach Aufheben der äußeren Belastungen wieder verschwindet. Mechanismus der plastischen Kaltumformung des Einkristalls Unter Einkristall versteht man ein Metallstück, das ohne Korngrenzen durch und durch gleiche Kristallorientierung besitzt. Einkristall hat in ve rschiedenen Gitterrichtungen stark unterschiedliche Eigenschaften (anisotrop). Die plastische Formänderung des Einkristalls erfolgt im wesentlichen auf zwei Arten: durch Gleitung und Zwillingsbildung. Die Gleitung stellt eine gegenseitige Parallelverschiebung dünner Gitterschichten des Einkristalls dar. Von der Gleitbewegung werden eine Reihe von Ebenen oder dünnster Schichten erfaßt, innerhalb derer selbst aber die Elemente der pl. Formänderung fehlen. Mit Überschreiten der Streckgrenze wird der Gleitwiderstand in Gleitebenenrichtung an schwächster Stelle überwunden. Translation (Gleitung) setzt zunächst örtlich ein. Nach gewisser Atomunordnung und damit erhöhtem Gleitwiderstand kommt Translation hier zunächst zum Stillstand während sofort Nachbarebenen gegeneinander abgleiten. Dabei tritt eine Festigkeitssteigerung mit steigender Kaltumformung infolge zunehmender Blockierung der Gleitebenen auf. Auf die Möglichkeit einer Atomverschiebung längs beliebiger Kristallebenen hat die

Temperatur wesentlichen Einfluß. Eine Erhöhung der Temperatur führt in einer Reihe von Fällen dazu, daß der Gleitprozeß auch auf Ebenen erfolgt, die bei RT nicht als Gleitebenen in Betracht kommen. Die Zwillingsbildung ist eine Verschiebung von Atomen, die auf Ebenen parallel zur Zwillingsebene liegen. Die Verschiebungsgröße der Atome ist proportional dem Abstand dieser Ebenen von der Zwillingsebene. Die Zwillingsbildung beobachtet man relativ selten bei statischen Belastungen, wesentlich öfter bei Schlagverformung. Kaltumformung des Vielkristalls Unsere Werkstoffe sind nie Einkristalle, sondern Kristallhaufwerke, d.h. aus Vielzahl unregelmäßig begrenzter anisotroper Kristallite mit zufälliger gegenseitiger Orientierung ihres Atomgitters aufgebaut, sind also als Ganzes quasiisotrop, d.h. in allen Raumrichtungen mit praktisch gleichen Eigenschaften behaftet. Kristallite sind miteinander verwachsen an Korngrenzen, das sind quasi-amorphe Übergangsbereiche von der einen zur anderen Gitterorientierung mit Dicken von Hunderten von Atom-Durchmessern. Festigkeit im Korngrenzenbereich viel größer als im Korninnern, auch Umformbarkeit sehr viel schlechter, weshalb zunehmende Kornfeinheit des gleichen Werkstoffs zunehmende Festigkeit bei vergrößertem Formänderungswiderstand bedeutet. Die Gleitebenen in den einzelnen Körnern des Vielkristalls sind willkürlich im Raum orientiert. Dies führt dazu, daß bei der Belastung des vielkristallinen Körpers durch äußere Kräfte die plastische Formänderung nicht gleichzeitig in allen Körnern beginnt. Sie beginnt zuerst in den Körnern, deren Gleitebenen am günstigsten orientiert sind, d.h. in denen die Gleitebenen mit den Wirkungsflächen der größten Tangentialspannungen, die durch das gegebene Kräftesystem hervorgerufen wurden, zusammenfallen. Die anderen Körner formen sich elastisch um und werden nur relativ verschoben. Bei linearem Zug oder Druck sind die Körner am günstigsten orientiert, deren Gleitebenen zur Wirkungsrichtung der äußeren Kräfte einen Winkel von 45° bilden. Die Ausbreitung der Abgleitvorgänge auf die Gesamtheit des vielkristallinen Körpers führt dazu, daß die Kristallite in Richtung des intensivsten Werkstofflusses zunehmend eine gestreckte Form erhalten. Bei genügend großer Formänderung bildet sich eine Vorzugsorientierung im Werkstoffgefüge heraus, die als Umformtextur bezeichnet wird. Das umgeformte vielkristalline Werkstoffgefüge zeigt anisotrope Eigenschaften. Mit zunehmender Kaltumformung Rm, Re, HB u.a., gleichzeitig fallen A5, r, Bruchschnürung u.a. Besonders kennzeichnend ist schnelles Ansteigen von Re im Vergleich zu Rm, so daß das Streckgrenzenverhältnis besonders stark ansteigt. Kristallerholung und Rekristallisation Nach Kaltumformung steht Werkstoff infolge gestörtem Kristallgitters unter inneren Spannungen, die u.a. Eigenschaftsänderungen verursachen. Die Atome haben das Bestreben, in geordneten Gitterzustand zurückzukehren, sind jedoch im Normalfall wegen mangelnder Beweglichkeit daran gehindert. Mit zunehmender Temperatur wird Neuordnung möglich, wobei sich schließlich Ausgangseigenschaften vor Kaltumformung wieder einstellen. Kristallerholung: Schon bei Temperaturen, die weder mikroskopisch, noch röntgenographisch nachweisbare Gefügeveränderungen bewirken, treten allgemein langsam einsetzende Eigenschaftsveränderungen auf. Rekristallisation: ist Kristallneubildung bei Metallen durch ausreichende Wärmeeinwirkung nach Kaltumformung (oder während einer Warmformgebung), ohne daß dabei ein Umwandlungspunkt überschritten wird. Mit steigender Temperatur wird Rekristallisationsschwelle überschritten. Bildung sehr kleiner Kristallite mit geordnetem Atomgitter an einigen bevorzugten Stellen (Gleitlinien und Korngrenzen), ausgehend von Keimen; diese entstehen um so zahlreicher, je stärker umgeformt wurde. Einzelne dieser neuen Kristallite sind auf Kosten ihrer Nachbarn schon angewachsen; nur noch wenig unverändertes Texturgefüge vorhanden. Voller Auslauf der Rekristallisation. Einige bevorzugte Kristallite sind weitergewachsen, bis sie schließlich mit anderen gleicher Wachstumsenergie unter Bildung neuer Korngrenzen zusammentrafen. Weitere Wechsel von Kaltumformung und Rekristallisation lassen sich beliebig oft fortsetzen, so daß durch zwischengeschaltetes Spannungsfreiglühen beliebig weit kalt umgeformt werden kann. Einfluß auf die Höhe der zum Einsetzen der Rekristallisation erforderlichen Temperatur haben neben den spezifischen Werkstoffmerkmalen vor allem die Formänderung (Umformgrad) und die Umformgeschwindigkeit. Kritische Umformung und kritische Temperatur ergibt Grobkorn (in der Fertigung unbedingt zu meiden). Mit steigendem C-Gehalt flacht das Maximum der Korngröße schnell ab, so daß über 0,3% extremes Grobkorn nicht mehr entsteht. Auch LE können kritischen Umformgrad stark verschieben. Kornneubildung durch Rekristallisation läuft bei ausreichender Temperatur sehr viel schneller ab als Umkörnung durch Umwandlung. Abgrenzung zwischen Kalt- und Warmumformung Das Kriterium für eine Abgrenzung zwischen Kalt- und Warmumformung ist die Rekristallisation heranzuziehen. Nach der klassischen Definition liegt Kaltumformung nur vor, wenn bei Umformtemperatur die Rekristallisationsgeschwindigkeit gleich Null oder kleiner als Umformgeschwindigkeit ist. In der Praxis wird die Kaltumformung infolge ihrer Vorteile in vielen Fällen der Warmumformung vorgezogen. Als Vorteile treten z.B. auf: kein Aufwand für Erwärmung, keine

Werkstoffverluste durch Zunderbildung, höhere Werkstückgenauigkeit, geringere Nacharbeit, bessere Obeflächengüte, einfacherer Fertigungsablauf, Einfluß der Umformgeschwindigkeit gering, geringere Werkzeugkosten. Nachteile: größerer Kraft- und Arbeitsbedarf aufgrund höherer Umformfestigkeit und geringere Beanspruchbarkeit der Werkstoffe, begrenztes Umformvermögen. Deshalb wird man nur dann zur Warmumformung übergehen, wenn die auftretenden Kräfte beim Kaltumformen so hoch liegen, daß eine Überbeanspruchung der Werkzeuge zu befürchten oder keine Maschine mit ausreichenden Kenngrössen vorhanden ist, bzw. wenn aufgrund der begrenzten Beanspruchbarkeit der Werkstoff bei Kaltumformung der erforderlichen Formänderungen nicht zu erzielen sind. Aufgrund dessen wurden in dem VDI Richtlinienentwurf 3137 die Raumtemperatur zur Abgrenzung zwischen Kalt- und Warmumformung herangezogen. Definition und Ermittlung der Formänderungsfestigkeit Die Formänderungsfestigkeit kf ist eine reine Werkstoffkenngröße. Sie wird auf den einachsigen Spannungszustand bezogen und als die sich bei einachsiger Zug- oder Druckbeanspruchung am jeweiligen Werkstoff und seinem Zuständen einstellende Fließnormalspannung definiert. Die Formänderungsfestigkeit ist die bei einem einachsigen Spannungszustand zur Einleitung bzw. Aufrechterhaltung des plastischen Werkstoffeinflusses erforderliche Normalspannung. Außer von der Formänderung (=Umformgrad: eignet sich zur Beschreibung großer plastischer Formänderungen besser als die Dehnung) ist die Formänderungsfestigkeit eines Werkstoffes noch abhängig von der Formänderungsgeschwindigkeit (Umformgeschwindigkeit), der Temperatur, der mittleren Spannung, vom Werkstoff und von der Anisotropie des Werkstoffes. Plastizitätstheoretische Grundlagen Werkstoffmodelle Die Plastizitätstheorie ist die Grundlage für die rechnerische Behandlung von Umformvorgängen. Ihre Grundgleichungen führen allerdings bei Anwendung praktischer Aufgaben auf schwierig zu lösende mathematische Probleme. Sie hatte daher, vor der Einführung elektronischer Rechenanlagen, in der Umformtechnik nur sehr beschränkte Anwendung gefunden. Die elementare Plastizitätstheorie geht von der Annahme eines idealen Werkstoffes aus. Beim elastisch-idealplastischen Werkstoff treten, solange die Spannungen die Fließgrenze nicht erreichen, elastische Formänderungen auf. Danach fließt der Werkstoff ohne Spannungserhöhung. Beim starr-idealplastischen Werkstoff nimmt man an, daß der Werkstoff nach Erreichen eines krit. Wertes plötzlich ohne Verfestigung zu fließen anfängt. Bei den meisten Umformvorgängen sind die bleibenden Formänderungen erheblich größer als die elastischen Verformungen, so daß man keinen großen Fehler macht, wenn man hierfür die gefunden Beziehungen von Tresca ansetzt. Fließbedingungen und Fließgesetz Die SH sagt aus, daß der Werkstoff an einer bestimmten Stelle des Werkstücks dann bleibende Formänderungen erleidet, wenn die größte an dieser Stelle wirkende Schubspannung einen krit. Wert erreicht. Der Eintritt des Fließens muß von einer Kombination der Normal- und Schubspannung abhängen. Spannungsverteilung und Gleichgewichtsbedingungen In einem Kontinuum, das einer äußeren Belastung unterworfen ist, herrschen in der Regel von Ort zu Ort verschiedene Spannungszustände. Der Spannungszustand ist also eine i.a. stetige Funtkion der Ortskoordinaten. Die Verteilung der Spannungen in einem Körper kann nicht völlig beliebig sein. Sie ist durch die Bedingung eingeschränkt, daß jedes herausgeschnitten gedachtes Volumenelement unter der Wirkung der angreifenden Spannungen und etwaiger Massenkräfte im Gleichgewicht sein muß. Diese Gleichgewichtsbedingung ist dann erfüllt, wenn sich die aus den Spannungen und spezifischen Massenkräften resultierenden Kräfte in x-, y- und z-Richutng das Gleichgewicht halten und wenn die Momente um drei zu den Koordinatenachsen parallelen Achsen durch den Schwerpunkt im Gleichgewicht sind. Entsprechend liefern die Bedingungen des GG gegen Verdrehen um die zur x- und y-Achse parallelen Achsen die Beziehungen τ y z = τ zy , τ xz = τ zx. Dieser Sachverhalt wird als Gesetz von der Zuordnung der Schubspannungen bezeichnet. Außerdem ergibt sich hieraus, daß der Spannungszustand durch sechs voneinander unabhängige Komponenten vollständig bestimmt ist. Formänderungsvermögen Eine Umformung ist nur bis zu einer bestimmten Größe der Formänderungen möglich. Wird eine bestimmte Verformung überschritten, so tritt ein Bruch auf, d.h. das Formänderungsvermögen ist erschöpft. Wie Versuche gezeigt haben, lassen sich auch unter einem genügend starken allseitigen Druck auch kristallin aufgebaute Gesteine wie Marmor, die sich bei normalen Zug- und Druckversuchen vollständig spröde verhalten, weitgehend bildsam verformt. Entsprechend bevorzugt man bei der bildsamen Formgebung der Metalle diejenigen Verfahren, bei welchen eine möglichst große mitllere Normalspannung vorliegt, wie beim hydrostat. Fließpressen und Strangpressen, Schmieden, Walzen, Pressen. Obgleich die Verfahren Strangpressen und Ziehen schematisch ähnlich sind, so herrscht doch beim Strangpressen ein bedeutend höheres Formänderungsvermögen, da die mittlere Normalspannung weiter im Druckbereich ist.

Fließgesetze Der Zusammenhang zwischen den Umformgeschwindigkeiten und dem Spannungszustand wird Fließgesetz genannt. Gesetz der Volumenkonstanz Die Summe der logarithmischen Formänderungen in den drei Hauptrichtungen ist somit bei der bildsamen Formgebung gleich Null. Das gleiche gilt für die Formänderungsgeschwindigkeit. Gesetz des kleinsten Zwanges Das Gesetz des kleinsten Zwanges bezüglich der plastischen Formänderung wurde von Tresca ausgesprochen: Im Fall der Möglichkeit, sich in verschiedenen Richtungen verschieben zu können, werden die Punkte eines umzuformenden Körpers sich immer in der Richtung des geringsten Widerstandes (kleinsten Zwanges) verschieben. Eine unmittelbare Folge dieses Gesetzes ist beispielsweise die Gratbildung beim Pressen im offenen Gesenk. Kraftwirkungen Die Fließbedingungen und die Volumenkonstanz gestatten es, in einfachen Fällen die Kraftwirkungen zu berechnen, wenn der Verlauf der Formänderungsfestigkeit des Werkstoffes bekannt ist. Formänderungsarbeit Neben der Umformkraft ist auch die Umformarbeit von Bedeutung. Desgleichen bereitet es keine Schwierigkeiten, die Formänderungsarbeit bei einer verlustfreien Umformung zu berechnen. Formänderungswiderstand Im Hinblick auf die Stauchkraft und die Staucharbeit wirken die Reibungsverluste sich in der Weise aus, daß der Formänderungswiderstand kW , der sich der Stauchung entgegensetzt, sich gegenüber der Formänderungsfestigkeit kf aufgrund der Plastizitätsbedingung um den Betrag des mittleren Fließwiderstandes erhöht. Reibung Die überwiegende Mehrheit der Umformoperationen wird durchgeführt, indem eine Berührung des zu bearbeitenden Metalls mit dem Werkzeug stattfindet. Dabei wird das Metall bestrebt sein, an der Werkzeugoberfläche entlangzugleiten, was die Entstehung von Reibungskräften zur Folge hat, die den Gleitvorgang erschweren. Die Reibung bei den Umformverfahren ist mit Ausnahme einzelner Operationen, bei denen sie eine aktive Rolle spielt (z.B. bei verschiedenen Walzverfahren), ein schädlicher Faktor. 1.Die Kontaktreibung führt zur Entstehung inhomogener Formänderung oder verstärkt die Inhomegenität, wenn diese schon durch den Charakter der Operation bedingt vorhanden ist. Dies erklärt sich damit, daß In jedem Punkt der Kontaktoberfläche elementare tangentiale Reibungskräfte erregt verden, die das Auftreten von Schubspannungen an den Kontaktflächen des Körpers zur Folge haben. Diese Schubspannungen sind in jedem Punkt der Gleitbewegung des Metalls entgegengerichtet. Letzten Endes kann sich sogar die Art des Spannungszustandes ändern. So wird z.B. beim Stauchen durch die Anwesenheit von Reibungskräften ein räumlicher Spannungszustand geschaffen, während beim reibungslosen Stauchen ein linearer Zustand vorherrschen würde. Der Reibungseinfluß verbreitet sich von der Kontaktfläche aus in die Tiefe des umzuformenden Körpers und schafft somit eine Zone der erschwerten Umformung. Als Folge dessen kann ein inhomogenes Metall entstehen (unterschiedlicher Verfestigungsgrad im Körpervolumen, unterschiedliche Kerngröße und dergleichen mehr). 2. Die Kontaktreibung muß im Endresultat von der aktiven Belastung überwunden werden. Folglich wird durch die Kontaktreibung die erforderliche Umformkraft und Umformarbeit größer. Der Kraftzuwachs kann mitunter sehr bedeutend sein, so daß sich der Wert vervielfacht. 3. Durch die Kontaktreibung verringert sich die Standmenge des Werkzeugs sowohl durch den unmittelbaren Verschleiß der Kontaktoberfläche als auch infolge einer zusätzlichen Erwärmung und einer Spannungserhöhung, die mit dem Anwachsen der Umformkraft in Zusammenhang steht. Die Reibung bei der plastischen Formänderung unterscheidet sich wesentlich von der Gleitreibung in kinematischen Paarungen. In kinematischen Paarungen ist der Druck auf die sich berührenden Oberflächen relativ gering, und die Metallflächen werden nur elastisch deformiert. Bei der plastischen Formänderung wird die Oberfläche des Werkzeugs auch elastisch deformiert, aber der zu bearbeitende Körper befindet sich im plastischen Zustand, und seine Oberfläche strebt danach, die Oberflächenform des Werkzeugs anzunehmen. Letzten Endes wird die wahre Berührungsfläche im zweiten Fall größer, was bei einem hohen spezifischen Druck große molekulare Bindungskräfte hervorrufen kann. In den kinematischen Paarungen erfolgt der Verschleiß und die Abarbeitung der Arbeitsflächen durch mechanisches Abtragen. Bei der plastischen Formänderung findet dagegen eine stetige Erneuerung der Kontaktfläche des umzuformenden Körpers statt, weil während des Umformvorgangs ständig neue Metallteilchen aus der Tiefe an die Berührungsflächen treten. Diese Hinweise sprechen dafür, daß das Coulombsche Reibungsgesetz R = µ*N, das schon ungenau für die Charakterisierung der gewöhnlichen Reibung in Maschinenteilen ist, in noch geringerem Maße für die Bestimmung der Reibungsgröße bei der plastischen Formänderung zutrifft.

Jedoch ist man gezwungen, infolge einer ungenügenden Erforschung der plastischen Reibungserscheinungen bei der Analysierung der Umformverfahren das Coulombsche Gesetz zu benutzen. Die Werte des Reibungskoeffizienten müssen für die Bedingungen der plastischen Formänderung speziell bestimmt werden, obgleich bisher keine genügend genaue Methode dafürvorhanden ist. Die Werte der Reibungskoeffizienten, die für die Reibung in Maschinenelementen Gültigkeit haben, sind auf gar keinen Fall für die Bestimmung der Reibungskräfte bei der plastischen Formänderung geeignet. Im Allgemeinen sind die Reibungskoeffizienten bei der plastischen Formänderung größer als bei der Gleitreibung. Auf die Größe des Reibungskoeffizienten bei der plastischen Formänderung haben eine Reihe von Faktoren Einfluß, z.B.: Die Oberflächenbeschaffenheit des umzuformenden Körpers, die chemische Zusammensetzung der zu bearbeitenden Legierung, die Umformtemperatur, die Umformgeschwindigkeit und der Charakter der Belastung. Ein sehr wesentlicher Faktor ist die Oberflächenbeschaffenheit des Werkzeuges. Je höher die Qualität der Oberflächenbearbeitung ist, um so kleiner ist bei sonst gleichen Bedingungen der Reibungskoeffizient. Der Einfluß der Bearbeitung ist so beträchtlich, daß der Reibungskoeffizient in Abhängigkeit von der Gleitrichtung bezüglich der Bearbeitungsrichtung unterschiedliche Werte annimmt. Untersucht wurde dieser Faktor von J.N. Pawlow und von ihm Reibungsanisotropie genannt. Sogar bei einer Bearbeitung durch zweimaliges Schleifen und der Verwendung von Schmiermitteln ist der Reibungskoeffizient quer zur Bearbeitungsrichtung um 20 % höher als längs dazu. Beim Umformen ohne Schmiermittel und einer gröberen Bearbeitung des Werkzeugs kommt die Reibungsanisotropie noch viel stärker zum Ausdruck. Die Reibungsanisotropie bei der plastischen Formänderung kann eine Verzerrung der Körperform zur Folge haben. Beim Stauchen eines Zylinders runden Querschnitts kann demzufolge ein Zylinder elliptischen Querschnitts entstehen. Die Bearbeitungsart der Kontaktfläche des umzuformenden Körpers hat nur im Anfangsstadium der Umformung Bedeutung. Bei fortschreitender Formänderung glättet sich die Oberfläche und wird ein Abdruck der Werkzeugoberfläche. Wesentlicher Einfluß auf den Reibungskoeffizienten hat der physikalisch-chemische Zustand der Oberfläche. Ungeachtet der großen Anzahl von Untersuchungen, die schon auf diesem Gebiet durchgeführt wurden, herrscht in dieser Frage noch keine völlige Klarheit. Man kann jedoch sagen, daß bei der Kaltumformung bei sorgfältiger Reinigung der Kontaktflächen von Oxiden und Verunreinigungen der Reibungskoeffizient eine bedeutende Größe erreicht, sogar bis zu dem Punkt, an dem Verschweißerscheinungen der arbeitenden Metalle erfolgen. Der Reibungskoeffizient bleibt bei einer bestimmten (sehr geringen) Dicke der Oxidschicht minimal und nimmt dann mit Vergrößerung der Schichtdicke zu. Besonders schädlich sind Schichten von grobem Oxid, z.B. Zunder bei der Warmumformung von Stahl. Der Zunder vergrößert nicht nur die Reibung, sondern kann auch Ursache für verschiedene Defekte an der Oberfläche des Fertigteils sein. Die experimentellen Untersuchungen über den Einfluß der chemischen Zusammensetzung der umzuformenden Legierung auf den Reibungskoeffizienten gaben bisher keine übereinstimmenden Resultate. Ungeachtet der auch in der Frage der Umformtemperatur vorhandenen widersprüchlichen Versuchsergebnisse verschiedener Wissenschaftler kann man annehmen, daß durch Erhöhung der Umformtemperatur sich anfangs der Reibungskoeffizient vergrößert und ungefähr bei Temperaturen zwischen 500... 8OO0C (für Stahl) ein Maximum erreicht und darüber wieder bis nahe dem Anfangswert abnimmt. E.P. Unksow erklärt das Ansteigen des Reibungskoeffizienten durch intensive Zunderbildung und das nachfolgende Absinken durch die bei diesen Temperaturen bedingte Erhöhung der Plastizität und Verringerung der Umformfestigkeit. Aus Untersuchungen geht eindeutig hervor, daß sich der Reibungskoeffizient verringert mit anwachsender Gleitgeschwindigkeit des Metalls bezüglich der Werkzeugoberfläche, d.h. mit Vergrößerung der Umformgeschwindigkeit. Im Durchschnitt ist der Reibungskoeffizient beim Umformen auf einem Hammer um 20. .25 % geringer als bei der Umformung auf Pressen. Der Charakter der Belastung übt ebenfalls einen Einfluß auf den Reibungskoeffizienten aus. Versuche zeigen, daß bei der Umformung durch vibrierende Belastung mit einer Frequenz von 900...1000 Hz in der Minute sich die Umformkraft beim Stauchen um 1,5- bis 2mal verkleinert und sich die Ungleichförmigkeit der Formänderung verringert (die Tonnenbildung wird geringer, die Fasern der Makrostruktur geradliniger, die Mikrostruktur homogener). Dies alles zeugt von einer Verringerung des Reibungskoeffizienten. Die Schmierung hat für die Senkung des Reibungskoeffizienten große Bedeutung. Ein rationell ausgewähltes Schmiermittel kann den Koeffizienten um einige Male verringern. Das Schmiermittel muß einen festen Schmierfilm bilden, gut an der Kontaktfläche haften, sich aber gleichzeitig nach dem Umformen wieder gut entfernen lassen. Rezepturen für die gegenwärtig gebräuchlichen Schmiermittelzusammensetzungen beim Kaltumformen zeichnen sich durch Mannigfaltigkeit und Kompliziertheit aus. In die Schmiermittelzusammensetzungen gehen organische und Mineralöle ein, aktivierende Zusätze (Oleinsäure, Schwefel), neutrale Füllstoffe (Graphit, Kreide, Talkum) und andere Stoffe. Bei der Warmbearbeitung verwendet man als Schmiermittel Sägemehl, Kolloidgraphit u.a. Bei der

Warmumformung gewinnen immer größere Bedeutung die Schmiermittel, die auf Glasbasis beruhen. Diese Schmiermittel sind im Vergleich zu den Schmiermitteln auf Graphitbasis effektiver, sie bewirken eine bedeutendere Senkung der Reibungswerte. Gleichzeitig bilden sie zwischen Werkzeugoberfläche und Metall einen wärmeisolierenden Film, der das Metall vor Oxydation schützt, was einer Verbesserung der Oberflächengüte gleichkommt. Wie schon oben gesagt wurde, ist die Reibung für die überwiegende Mehrheit der Umformoperatlonen ein schädlicher Faktor. Es müssen Maßnahmen getroffen werden, um den Reibungskoeffizienten zu verringern. Die effektivsten Mittel dafür sind qualitätsmäßige Verbesserung der Oberflächengüte des Werkzeugs und die Anwendung von Schmiermitteln. Walzen Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen mit einem oder mehreren sich drehenden Werkzeugen (Walzen), ohne oder mit Zusatzwerkzeugen wie Stopfen, Dorne usw. Aus der Sicht der Fertigungstechnik stellen die Walzerzeugnisse meist Halbzeuge und Ausgangsprodukte dar, die mit anderen Verfahren weiter verarbeit werden: Blech und Feinblech, Stangenmaterial, Profilerzeugnisse, Rohre, Draht, Bandmaterial, Formteile, Stäbe. Man unterscheidet zwischen Längs-, Quer- und Schrägwalzen, wobei eine weitere Unterteilung in Flach- oder Profilwalzen von Voll- bzw. Hohlkörpern vorgenommen wird. Längswalzen Längswalzen ist Walzen, bei dem das Walzgut senkrecht zu den Walzachsen ohne Drehung durch den Walzspat bewegt wird. Walzen von Bandstahl, Flachmaterial, Ringflachwalzen, Profilwalzen, Nutenwalzen, Formteilwalzen. Ausgangsmaterial sind meistens Blöcke oder Brammen. Verfahrensvarianten: Warm- (geringe Kräfte) und Kaltumformung (präzise Vorfertigung, gute Oberfläche, hohe Kräfte, Maßgenau). Die Walzen stellen die Werkzeuge dar. Walzmaschine oder auch Walzgerüst bestehen aus Walzen, Walzenhalterung und Antrieb. Ein Walzwerk bzw. Walzstraße setzt sich aus ein oder mehreren Walzmaschinen, sowie Zufuhreinrichtungen (Rollengänge) incl. Vor- und Nachbehandlung des Walzgutes (Öfen) zusammen. Nutenwalzen: Meistens 2 oder mehr angetriebene Walzen ziehen den Rundstab zwischen sich durch und Formen dabei das Profil. Herstellung von Zahnrädern, Keilwellen... Reckwalzen: ist Längswalzen von stabförmigen Materialien mit gleichförmig oder sprunghaft veränderlichem Kaliber (prakt. Verfahren z.B. Antriebswalzen, kegliges Verjüngen von Draht- und Stangenenden Querwalzen Querwalzen ist Walzen, bei dem das Walzgut ohne Bewegung in Achsrichtung um die eigene Achse gedreht wird. Oberflächenprofilwalzen (z.B. Gewindewalzen), Radialwalzen von Formteilen, Profilglattwalzen von Ringen und Rohren. Die Werkzeuge bestehen aus dem geführten Grundkörper, auf dem die formgebenden Elemente aufgebracht sind. Das Walzen geschieht meist auf Sondermaschinen. Verfahrensvariante meistens Kaltumformung. Rohre nach dem Fretz-Moon-Verfahren Bei diesem Verfahren werden die Rohre in kontinuierlicher Folge gefertigt. Indem das auf Ringen aufgehaspelte Bandeisen zunächst zu einem endlosen Band zusammengeschweißt wird. Dies wird dann in einem Tunnel-Durchlaufofen auf Schweißhitze erwärmt und darauf im Form- und Schweißwalzwerk zu einem endlosen Rohrstrang verformt. Nach dem automatischen Trennen auf Rohrlänge und der anschließenden Weiterverarbeitung über Fließbänder ist es versandfertig. Schrägwalzen Schrägwalzen ist Walzen, bei dem das Walzgut um die eigene Achse gedreht wird, wobei eine Axialbewegung des Werkstücks bei Schrägstellung der Walzen nur durch Längsvorschub zustande kommt. Verfahrensbeispiele: Glattwalzen von Stäben im Durchlaufverfahren, von Rohren im Durchlaufverfahren, Gewindewalzen im Durchlaufverfahren, Schrägwalzen von Formteilen, von Rohren, zum Aufweiten über einen feststehenden Stopfen. Ausgangsmaterial sind meist Stangen- und Rundmaterialien. Gewinderollen: meist 3 Rollen mit dem Gewindeprofil unter dem Steigungswinkel des Gewindes gegen die Achse des Werkstücks geneigt. Kugelwalzen: entspricht einem kontinuierlichen Walzen, wobei eine Kugel infolge besonderer Gestaltung der Walzen entsteht. Das Hohlprofilwalzen ist zwar kein besonderes Fertigungsverfahren, jedoch zählen hierzu sämtliche Verfahren (Längs -, Quer- und Schrägwalzen) die vorwiegend die Rohrherstellung betreffen. Rohre werden in nahtloser, geschweißter- und gewickelter Form hergestellt. Nahtlose Rohre durch Längswalzen. Schrägwalzen zum Aufweiten: Das Walzwerk enthält zwei gleichmäßig laufende kegelförmige Kopfwalzen, die gesondert angetrieben werden. Der Dorn ist feststehend. Die Rohre werden auf entsprechenden Maschinen warm oder kalt gerichtet.

Stumpfgeschweißte Rohre: Die Herstellung stumpfgeschweisster Rohre geschieht meistens nach dem Fretz-Moon-Verfahren. Endlose Rohrherstellung bis 2 ½ ´´ Nennweite. Pilgerschrittwalzen: Von Mannesmann entwickelt zur Herstellung von dünnwandigen verkaufsfertigen Rohren. Hohlblock wird auf einen zylindrischen Dorn gesteckt. Die Walzen haben auf etwa der Hälfte ihres Umfangs ein Arbeitskaliber, die andere Hälfte ist ein Leerkaliber. Das Arbeitskaliber kneift Material vom Hohlblock ab und walzt ihn über den Pilgerdorn zur fertigen Wanddicke aus. Hierbei wird der Hohlblock mit dem zylindrischen Pilgerdorn entgegengesetzt zur Walzrichtung zurückgeschoben. Das Leerkaliber gibt nun den Hohlblock frei, daß dieser ruckartig vorgeschoben wird, so daß der Vorgang mit dem Abkneifen neuen Werkstoffs wieder beginnt. Streckreduzierwalzen: Da nicht alle vorkommenden Rohrabmessungen unmittelbar hergestellt werden, geht man meistens von einem Einheitsrohr aus, das durch Streckreduzieren einen kleineren Durchmesser und unter Umständen geringer Wanddicken erhält. Hierbei wird das erwärmte Rohr durch mehrere hintereinandergeschaltete Kaliber gebracht, wobei die Walzengeschwindigkeit von Gerüst zu Gerüst ansteigt und der Walzenkaliber sich jeweils verengt. Beim Reduzieren erhalten die Rohre keinen Dorn. Längswalzen über Stange oder Stopfen: Der Hohlblock wird auf die Stange oder Stopfen gesteckt, in das Walzenkaliber eingestoßen und ausgewalzt. Anschließend wird beim Stopfenwalzverfahren das Rohr wieder zurückgeholt, um 90° gedreht und in einem zweiten Stich über einen großen Stopfen nochmals durchgewalzt. Schrägwalzen zum Lochen: Beim Mannesmann-Schrägwalzverfahren wird ein runder Block durch zwei in einem Spitzenwinkel von 3-6° verschränkt stehenden kegligen Walzen mit gleicher Drehrichtung bearbeitet. Der so entstandene Hohlkörper wird Rohrluppe genannt und muß für die Rohrverarbeitung in weiteren Verfahren behandelt werden. Je größer der Walzendurchmesser gegenüber dem Blockdurchmesser ist, umso günstiger ist die Lochung. Aus dieser Erkenntnis entstand das von Stiefel erfundene Kegel-Lochverfahren. Verfahren der Massivumformung Freiformen, Gesenkformen. Freiformen Freiformen ist eine Art Druckumformung mit nicht oder nur teilweise die Form des Werkstücks enthaltenden gegeneinander bewegten Werkzeugen. Die Werkstückform entsteht dabei durch eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Recken: ist Freiformen, wobei der Querschnitt eines Werkstückes schrittweise vermindert wird. In bestimmten Fällen wird das Werkstück zusätzlich gedreht und gehämmert. Pressen und Hämmer aller Art. Gilt im Hinblick auf die Werkstückbeanspruchung als günstigstes Verfahren, da der Faserverlauf erhalten bleibt und das Gefüge verdichtet wird. Aufweiten: ist ein Recken zum vergrößern des Durchmessers von Hohlkörpern und Ringen. Schlichtrecken: ist ein Recken mit geringer Querschnittsabnahme zum Erzielen glatter Oberflächen. Beihalten: ist ein Recken zum Beseitigen und Ausgleichen unerwünschter Breitung. Zur Verminderung der Breitenzunahme stetiges kontinuierliches Wenden des Werkstückes. Absetzen: erfolgt zur Erzeugung einer sprunghaften Querschnittsminderung mit einer neuen parallel verschobenen Mittellinie. Rundkneten: im Vorschubverfahren (Werkstück wird geradlinig bewegt), im Einsteckverfahren (Werkstück wird gedreht). Man unterscheidet zwei Maschinentypen: Ringläufer bzw. Kniehebelprinzip. Durch Reduzierung des Querschnitts werden die gleichen Gefügeveränderungen erreicht, wie sie bereits beim Recken beschrieben wurden. Weitere Vorteile gegenüber dem Zerspanen sind die Glätte und der Spiegelglanz (Bsp. Nadeln). Stauchen Freiformen zwischen meist ebenen parallelen Stauchbahnen zur Verminderung einer Werkstückabnahme. Die Stauchplatte ist stets größer als die gedrückte Werkstückfläche. Stauchen ergibt meistens einen ungünstigen Faserverlauf. Bringt keine über den ganzen Querschnitt greifende nachweisbare Verbesserung der Schmiedeeigenschaften. Die Fasern werden auseinander geschoben. Aus diesem Grund wird meistens das gestauchte Stück durch anschließenes Recken besser durchgeschmiedet und damit die Werkstoffeigenschaften ve rbessert. Am gestauchten Rohblock platzen Randblasen, Riefen, Schlackenstellen, Spannungsrisse an der Oberfläche auf. Breiten: Durch Breiten werden wie beim Stauchen die Werkstofffasern aufgeweitet und damit die Werkstoffeigenschaften verschlechtert. Angewendet wird das Breiten beim Schmieden von Sensen, Hacken, Spaten und sonstiger Breitenware. Beim Freiformen können Werkstücke zwischen 1 kg bis 350 t umgeformt werden. Gesenkformen Beim Gesenkformen wird der auf Schmiedetemperatur erwärmte Rohling in ein Werkzeug mit Gravur gelegt und somit in die gewünschte Form gebracht. Merkmale: Erzwingen eines bestimmten

Werkstoffflusses entgegengesetzt und quer zur Belastung, ausfüllen einer Form durch Steigen. Unterscheidung beim Schmieden im Gesenk: teilweise, ganz umschlossenes Werkstück. Gesenkformen mit teilweise umschlossenen Werkstück Reckstauchen Beim Freiformen weisen die Recksattel keinerlei Gravur auf. Beim Gesenkformen mit teilweise umschlossenem Werkzeug kommt die Aufgabe der Formgebung noch hinzu. Dazu dient im Reckstauchgesenk die Gravur. Formrundkneten Bei diesem Gesenkformverfahren wird die gleiche Technologie angewandt wie beim Freiformverfahren Rundkneten. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Knetbacken beim Formrundkneten eine Gravur besitzen, deren Form auf das Werkstück übertragen wird. Z.B. zur Innenprofilierung von Rohren eingesetzt. Der Vorteil der Werkstücke nach diesem Verfahren liegt gegenüber dem Raumverfahren darin, daß hier verbesserte Werkstoffeigenschaften auftreten. Eine ganz spezielle Variante des Formrundkneten ist das Rundhämmern. Verfahren infolge großer Variationsmöglichkeiten schon bei kleinen Stückzahlen (100) wirtschaftlich. Gesenkformen mit ganz umschlossenen Werkstück Anstauchen im Gesenk Gesenkformen zum örtlichen Stoffanhäufen. Hauptsächlich zum Kopfanstauchen bei Bolzen und Schrauben. Durch Auswechseln der Gesenkformeinsätze können die unterschiedlichsten Werkstücke auf Waagerechtstauchmaschinen hergestellt werden. Formpressen ohne Grat Bei diesem Verfahren des Gesenkformens kann während des Umformvorgangs kein Werkstoff aus der Gravur entweichen. Die Rohlinge weisen allerdings unterschiedliche Volumina auf. Meßschwankungen und Ungenauigkeiten der Schmiedestücke, da keine Möglichkeit des Werkstoffabflusses über Gratmulden besteht. Insbesondere für Warmpressen von NE-Metallen und Legierungen. Formpressen mit Grat In Industrie vorherrschende Gesenkumformverfahren. Das Material wird gestaucht wobei der überflüssige Werkstoff durch den Gratspalt gedrängt wird. Arbeitsgänge: Vorbereiten, Umformen, Nachbehandeln. Durch den Kontakt mit dem Gesenk verliert das Schmiedestück viel Wärmeenergie. Es muß deshalb in diesem Temperaturbereich (1200°C) schnell geschmiedet werden. Hohe Temperaturen → Grobkornbildung → Überzeiten → Gefahr der Verzunderung. Es sollte möglichst nur in einer Wärme geschmiedet werden. Gesenke unterteilt man in Ober- und Untergesenke. Herstellverfahren der Gesenke: Kopierfräsen, Gießen, NC-Maschinen, Senken, Erodieren... Betrieb: zur Erhöhung der Lebensdauer von Gesenken beheizt (150-200°C). Die wirtschaftliche Anwendung des Frei- oder Gesenkformschmiedens hängt in erster Linie von den kostenbestimmenden Stückzahlen ab. Bei Freiformen sind die Gesenkkosten gering. Dafür ist der Arbeitsaufwand zur Erreichung der Endform jedoch höher (→ Kosten für Teil höher). Bei Gesenkschmieden hohe Gesenkkosten jedoch Herstellkosten/Stück bedeutend geringer. Krit. Stückzahl 50-200 Stück. Eindrücken Eindrücken ist Druckumformung mit einem Werkzeug, das örtlich in ein Werkstück eindrückt. Verfahren: Körnern mit Körner, Einprägen mit Prägestempel, Einsenken (warm oder kalt) mit Formwerkzeug, Dornen zur Erzeugung eines Hohlraums, Hohldornen zur Erzeugung eines durchgehenden Loches, wobei ein Teil des Werkstückes in den Hohldorn verdrängt wird, Prägerichten. Durchdrücken Druckumformung durch teilweises oder vollständiges Hindurchdrücken eines Werkstückes durch eine formgebende Werkzeugöffnung unter Vermeidung des Querschnittes. Verfahren: Verjüngen Verjüngen ist Durchdrücken von Hohl- bzw. Vollkörpern mit kleiner Formänderung vornehmlich zum Erzeugen einzelner Werkstücke. Z.B. Einhalsen von Näpfen, Hülsen, Behältern Strangpressen Durchdrücken von Material durch eine Matrize zur Erzeugung von Stangen- oder Stabmaterial mit vollem oder hohlem Querschnitt. Unterscheidung: Vorwärts-, Rückwärts, Quer-Strangpressen. Herstellung verschiedener Profilformen, auch komplizierte Formen die aus Stahl oder NE-Metall bestehen (Segelmast, Fenster...). Verformungstemperatur bei Stahl ca. 800-1000°C. Fließpressen Herstellung von Fertigteilen (insbesondere Kleinteile für die Automobilherstellung) wie Niete, Schrauben... Unterscheidung: Voll-, Hohl-, Napf-Fließpressen. Sinngemäß unterteilung in Vorwärts-, Rückwärts-, Querfließpressen. Anwendung für Normteile, Schrauben, Nieten, Muttern, Bolzen,

Zahnräder, Buchsen, Druckstege, Gehäuseteile, Hebel, Achsen... Hohe Preßdrücke, meistens Kaltverformung, Zähigkeitswerte fallen. Falls extrem hohe Umformgrade erzielt werden müssen, wendet man das Hydrostatische-Fließpressen an. Infolge mehrachsiger Belastung verhält sich das Material sehr duktil, große Verformung. Bei Hinterschneidungen u.U. besser spanende Bearbeitung. Fließpressen ist nicht nur bei Erzeugung einbaufertiger Teile konkurrenzfähig, sondern auch bei Herstellung von Rohlingen. Verfahren der Zug-Druckumformung Wichtigste Grundverfahren mit translatorischer Hauptbewegung sind Durchziehen und Tiefziehen. Durchziehen: langes Werkstück wird durch ein formgebendes Ziehwerkzeug durchgezogen und dabei im Querschnitt verringert. Das Werkzeug kann starr sein. Das angespitzte Werkstück wird durch das Ziehwerkzeug hindurchgesteckt und durch die Ziehkraft durchgezogen. In dem Ziehkonus, der Umformzone in der Ziehmatrize treten axiale Zugspannungen und radiale Druckspannungen auf, die wesentlich größer sind als die reinen Zugspannungen. Die spezifische Ziehkraft oder Ziehspannung begrenzt die Größe des erreichbaren Umformgrades je Zug, da mit Sicherheit sowohl plastische Dehnungen im gezogenen Strang als auch ein Reißen des Stranges vermieden werden müssen. Die spezifische Ziehkraft ist stets kleiner als die Fließgrenze des umgeformten Werkstücks. An den Grenzflächen zwischen Werkstück und Werkzeug treten Reibschubspannungen auf, die den Verschleiß der Werkzeuge verursachen. Wichtigste Durchziehverfahren: Vollstrangziehen von Draht, Stangen, Hohlstrangziehen von gewalzten, stranggepressten und längsgeschweißten Rohren oder Hohlprofilen. Beim Rohrziehen im Hohlzug, d.h. ohne Innenwerkzeug, wird der Durchmesser reduziert. Die Wanddicke verändert sich meist unwesentlich. Beim Stopfenzug befindet sich im Rohr ein über die Stopfenstange in der Umformzone gehaltener ortsfester Dorn, der eine Abnahme der Wanddicke und des Außendurchmessers gestattet. Bei sehr dünnwandigen Rohren und bei großen Formänderungen wird ein beweglicher Dorn in der Länge des Fertigrohrs mit dem Rohr durch die Ziehmatrize gezogen mitlaufende Stange. Dieses Rohrziehverfahren wird Stangenzug oder Ziehen mit langem Dorn genannt. Dieser Dorn muß nach dem Zug durch ein Aufweitewalzwerk vom Rohr gelöst werden. Wanddickenunterschiede können beim Rohrziehen nicht ausgeglichen werden. Verfahren der Blechumformung Die Blechumformung besitzt innerhalb der mechanischen Umformtechnik große Bedeutung, da leichte, dünnwandige Teile in großer Stückzahl wirtschaftlich hergestellt werden können. Man Unterscheidet: Ziehen (mit starrem, nachgiebigem oder ohne Werkzeug), Drücken (Abstreckdrücken, Weiten). Ziehen mit starrem, nachgiebigem oder ohne Werkzeug Tiefziehen mit starrem Werkzeug Umformen eines ebenen Blechzuschnittes in einen Hohlkörper. Zuschnitt wird mittels Ziehstempel durch den Ziehring gezogen. Die Ronde wird zum Rand hin zunehmend gestaucht, u.U. Faltenbildung, zur Vermeidung Niederhalter. Tiefziehverhältnis: ß=d0/d1=2,2. Kümpeln: Tiefziehen im Erstzug ohne Niederhalter zum Wölben ebener Platten. Stülpziehen: Tiefziehen im Werkzeug mit Wirkung des Stülpstempels in entgegengesetzter Wirkrichtung des Tiefziehvorgangs. Ausnutzung der Restenergie (Bauschinger Effekt) zur Erzielung einer besseren Verformungsfähigkeit. Tiefziehen mit nachgiebigemWerkzeug Hineinziehen eines Zuschnittes oder Hohlkörpers in eine starre Matrize. Der Stempel stellt hierin das nachgiebige Werkzeug dar (z.B. Gummiwasserkissen). Herstellung von Autonummerschildern. Tiefziehen mit Wirkmedien Je nach Wirkungsart unterscheidet man: Wirkmedien mit kraftgebender Wirkung wobei das Medium ein fester Stoff, Flüssigkeit oder Gas sein kann und Wirkmedien sind Träger kin. Energie, Weitergabe eines Druckstoßes. Tiefziehen mit kraftgebundenen Wirkmedien: mit Sand oder Stahlkugeln, Wasser, Unterdruck, Überdruck Tiefziehen mit energiegebundenen Wirkmedien: Detonation eines Sprengstoffes, Explosion Gasgemisch, Magnetinduktion, Tiefziehverhältnis ß=2,8. Vorteile des Tiefziehens mit Wirkmedien / Wirkenergie: Herstellung nur einer Positivform, billigeres Werkzeug, großes Ziehverhältnis. Nachteile: elastisches Druckmittel teuer, geringe Lebensdauer, geringe Ausbringung, Blechdickenbegrenzung. Tiefziehfehler: Faltenbildung, Bodenbildung (Erschöpfung des Umformgrades, ß zu groß, Werkzeug zu scharfkantig, Ziehspalt zu eng), Bodenabriß (Ziehstempel wirkt als Schneidwerkzeug), Zipfelbildung (Anisotropie des Werkstoffes wird durch R-Wert gekennzeichnet), Lippenbildung (Ziehspalt zu weit), Zargenrisse (oxidische Materialeinschlüsse, ungleiche Blechdicke, schlechte Schmierung), Fließfiguren (treten bei geringen Umformungen, bei hohen Spannungen auf, meist eng auf dem Boden, bei größerem Tiefziehen verschwinden sie wieder).

Hohlprägen: Quer- und Untergesenk werden gefordert, um das Obergesenk einzusparen entwickelte man: Prägen mit Gummikissen: nachgiebiges Obergesenk paßt sich Untergesenk an. Tiefen mit Flüssigkeiten oder Gasen. Abstreckziehen Wird dort angewendet, wo der Werkstückboden dick sein soll im Verhältnis zur Wanddicke. Die in einem Arbeitsgang erreichbare Dickenabnahme wird durch die maximal übertragbare Kraft begrenzt (Bodenreißer). Durch Wandstärkenschächtung sowie Werkstoffverfestigung treten in der gestauchten Zone sehr schnell Risse auf. Abstreckziehen meistens in mehreren Stufen, Blech wird durch mehrere übereinanderlaufende Ziehringe gezogen. Tiefen Beim Tiefen wird das Nachwandern des Bleches (im Gegensatz zum Tiefziehen) völlig verhindert. Es findet ausschließlich örtliche Reckung statt, wobei die Oberflächenvergrößerung durch Verringern der Werkstückdicke erreicht wird. Tiefen mit Werkzeugen erfolgt durch den Druck eines starren Stempel oder mit Hilfe eines nachgiebigen Werkzeugs. Streckziehen Das Streckziehen kommt als wirtschaftliches Bearbeitungsverfahren bei kleiner Stückzahl für gewölbte Teile im Flugzeug- und Automobilprototypenbau vor. Das Blech wird vor der Umformung auf Zug bis zur Streckgrenze gebracht. Anschließend kommt eine positive Form und drückt in das vorgespannte Blech. Ein Nachrecken dient dann dem Teil eine größere Formgenauigkeit zu geben. Mit großen Streckziehanlagen können Blechflächen bis über 70m2 in einem Arbeitsgang umgeformt werden. Drücken Zur Erzeugung rotationssymetrischer Hohlkörper. Die Umformung erfolgt auf Drückmaschinen, wobei der Blechzuschnitt durch Drückrollen auf ein umlaufendes Formfutter gedrückt wird. Der erforderliche Kraftbedarf ist relativ gering, da die Kraft punktförmig auf einer Linie verlaufend eingeleitet wird. Man unterscheidet: Drücken von Hohlkörpern oder auch Randhochstellen. Weiten druch Drücken: örtliches Vergrößern des Umfanges eines Hohlkörpers, Erzeugung von Außen- und Innenbacken. Engen durch Drücken: örtliches Verkleinern des Umfanges eines Hohlkörpers. Abstreckdrücken oder auch Projizierstreckdrücken: hierbei wird Blechdicke wesentlich reduziert, Boden bleibt dick, Seitenwände / Zarge sind dünn (z.B. Elektrokochtöpfe, Felgen). Die Werkstoffe müssen ausreichend dehnfähig und genügend weich sein und nicht zu stark zur Kaltverfestigung neigen. Der Einsatz des Drückens oder auch des Abstreckdrückens ist sehr vielfältig. Neben der reinen Drückoperation können auf Drückmaschinen gleichzeitig durch Zusatzeinrichtungen Sicken, Wülste usw. insbesondere in der Massenfertigung hergestellt werden. Zusatzoperationen: Bordieren, Falzen, Profilieren, Beschneiden. Die einfachste Form der Druckmaschine ist eine einfache Drehbank mit einer Druckwerkzeugführung. Vorteile: geringer Werkzeugaufwand, nur Druckrollen erforderlich, Formwerkzeuge (Schablonen aus Holz) können schnell und billig hergestellt werden, ausgebauchte und eingezogene Formen können problemlos hergestellt werden, infolge Kaltumformung Festigkeitssteigerung. Nachteile: nur rotationssymetrische Bauteile, zeitaufwendig gegenüber Tiefziehen. Weiten Blechumformung zur Vergrößerung des Umfanges eines Hohlkörpers. Entsprechend der Einteilung beim Tiefziehen: Weiten mit starrem Werkzeug, mit elastischem, mit Wirkenergie. Biegeumformen Biegen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem das Werkstück in der Hauptsache Biegebeanspruchungen erfährt, wobei der Werkstoff auf der Innenseite gestaucht und auf der Außenseite gereckt wird. Beim freien Biegen und Runden werden Stahlbleche bis zu 120 mm Dicke von einem entsprechend geformten Stempel über zwei Biegebacken in Form gebracht. Zur Korrektur unerwünschter Formabweichungen wird das Biegerichten eingesetzt. Querkraftfreies Biegen gekennzeichnet durch die gegensinnige Drehung und Annäherung der eingespannten Stabenden. Bei der Verwendung von Formwerkzeugen spricht man von Abkanten oder Gesenkbiegen. Dabei kann der eine Teil des Werkzeuges auch als Gummikissen ausgeführt sein. Um eine bleibende (plastische) Biegeumformung zu erzielen, müssen 2 Vorraussetzungen erfüllt sein: am Werkstück muß ein Biegemoment angreifen, die auftretenden Spannungen müssen zumindest örtlich die Elastizitätsgrenze überschreiten. Biegefälle (einachsiger Spannungszustand): 1. elastische Biegung, 2. elastisch-plastische Biegung, 3. plastische Biegung Das Vorhandensein der elast. Spannungen in der elastischen Kernzone bewirkt nach Wegnahme der äußeren Biegemomente infolge des Spannungsausgleichs die Rückfederung des Biegeteils. Die Rückfederung ist die Ursache für die Formabweichungen der Biegeteile. Ermittlung der

Grenzbiegeradien: minimal zul. Biegeradius (begrenzt durch Bruchdehnung des Werkstücks), maximal zul. Biegeradius (durch elast. Spannungen begrenzt). Die gestreckte Länge für das Biegeteil ergibt sich aus der Summe der Länge der unverformten Teile und der Biegezone. Je spröder und je dünner ein Blech, desto wichtiger ist es, die Walzrichtung beim Biegen zu beachten. Beeinflussung der Dauerfestigkeit durch die Umformung Durch Kaltumformung wird insbesondere die Dauerfestigkeit von Bauteilen erhöht. Aber nicht nur der Umformgrad, sondern auch die Umformgeschwindigkeit spielen dabei eine große Rolle. Arbeitsgenauigkeit nach der Blechumformung Durch das Tiefziehen werden die Bauteile (Näpfe) infolge unterschiedlicher Umformgrade an verschiedenen Stellen und Anisotropieeigenschaften der Bleche sowie elastischen Rückfederungen als Folgen von Eigenspannungen nicht genau zylindrisch. Beim Tiefziehen kann mit zusätzlichem Abstrecken eine gezielte Wanddickenverringerung sowie eine verbesserte Durchmessergenauigkeit erreicht werden. Die Unrundheit, die durch die Anisotropie hervorgerufen wird, kann jedoch auch hier nicht ganz beseitigt werden. Trennen Trennen ist unter dem Oberbegriff Formändern einzuordnenen. Zum Trennen gehören: Zerteilen oder Schneiden, Spanen mit geometrisch definierter oder undefinierter Schneideform, Abtragen. Zerteilen (Schneiden) Schneiden ist ein spanloses Formen eines Werkstoffes in einem Schneidwerkzeug mittels Schneidstempel und Schneidplatte (sog. Schnittwerkzeuge). Die Zuschnittdicke ist dabei gleichbleibend. Hierbei gibt es neben den reine Schnitt- auch die Verbundwerkzeuge, die aus Schnitt-, Stanz- und Ziehwerkzeugen zusammengesetzt sind. Schneiden wird auf Exzenter und Kurbelpressen ausgeführt. Grundlagen des Schneidenvorgangs: Blech zwischen Ober- und Unterwerkzeug wird zunächst unter der wirkenden Schnittkraft verformt, dann geschnitten und schließlich zerrissen. Die Größe des Schneidspalts ist von der Werkstoffdicke, der Oberflächengüte und der Innenform des Durchbruches der Schnittplatte abhängig. Die Schnittkraft ist im wesentlichen abhängig von der Größe des Schneidspaltes, der Scherfestigkeit des Bleches, der Blechdicke, und der Länge und Form der Schnittlinien. Die Schnittkräfte lassen sich durch die Stempelform beeinflusen. Zerteilverfahren Industriell bedeutsame Zerteilverfahren sind: Zerteilen mit Langmessern, Zerteilen mit Kurzmessern (von größter Bedeutung für wirtschaftliches Fertigen von Flachteilen mit Profilschnitt bei kleinen Stückzahlen), Abscheren (Abschneiden von Stangenabschnitten), Zerteilen im Schneidwerkzeug. Man spricht von Ausschneiden (das ausgeschnittene Teil stellt das Werkstück dar) und vom Loch (das ausgeschnittene Teil stellt den Abfall dar). Die wichtigsten Kriterien der Standmenge (Schnittzahl zwischen zwei Werkzeuganschliffen) sind der Stirnflächenverschleiß und die Grathöhe am Schnitteil. Die Einflußgrößen auf den Verschleiß und damit auf die Standmengen von Zerteilwerkzeugen sind der Blechwerkstoff, die Blechoberfläche, der Werkzeugstoff, die Werkzeuggeometrie, der Schneidspalt, die Werkzeugauftreff- und die Hubgeschwindigkeit. Gestaltung der Werkzeuge Die Schneidverfahren lassen sich nach der Konstruktion bzw. Arbeitsweise der Schneidwerkzeuge unterscheiden. Unterscheidung nach Konstruktion: Freischnitt, Plattenführungsschnitt, Säulenführungsschnitt. Spanen Durch Relativbewegung zwischen dem Schneidkeil eines Werkzeuges und dem Werkstück werden die Stoffteilchen oberhalb der Keilschneidbahn mit fortschreitendem Eindringen zunächst gestaucht und später als Späne abgetragen. Grundlagen der Zerspanung Schneidkeilgeometrie Spanwinkel, Freiwinkel, Neigungswinkel, Einstellwinkel, Eckenwinkel, Keilwinkel, Eckenradius. Dementsprechend spricht man von Spanfläche, Freifläche, Nebenfreifläche. Schnittbedingungen und Spanungsquerschnitt Vorschub s, Schnitttiefe a, Spanungsbreite b, Spanungsdicke h, Spanungsquerschnitt = a*s=b*h. Kräfte bei der Zerspanung Schnittkraft Fs (gemessen in Schnittgeschwindigkeitsrichtung), Vorschubkraft Fv (gemessen in Vorschubrichtung), Rückkraft Fr (gemessen senkrecht zu Fs und Fv ), Zerspankraft F (Gesamtkraft aus Fs, Fv, Fr). Die Messung der Kräfte erfolgt mit dreikomponenten Zerspankraftmesser auf Basis von

DMS. Die spezifischen Schnittkräfte (bei Stahl 1000-3000N/mm2) sind u.a. abhängig von der Werkstoff-Schneidstoff-Paarung, den Schnittbedingungen und der Schneidkeilgeometrie. Verfahren der Spanabhebenden Bearbeitung mit definierter Schneidenform Drehen Werkstück – Drehbewegung, Werkzeug –Vorschubbewegung. Längsdrehen Vorschub parallel zur Werkstückachse, Drehen von Zylinderflächen (Wellen). Plandrehen Vorschub radial zur Werkstückachse, Drehen von Kreisringflächen, Einstechen und Abstechen (Flansch, Stirnflächen). Kopierdrehen Fühler tastet Schablone bzw. Meisterstück ab, heutzutage weitesgehend durch NC-Technik ersetzt. Feindrehen Längs- selten Plandrehen zur Erzeugung bester Oberflächen und Einhaltung von Toleranzen nach IT7 oder besser. Hohe Schnittgeschwindigkeit, kleine Spanquerschnitte, Werkzeugstoff: Hartmetall, Diamant. Fräsen Werkstück – Vorschubbewegung, Werkzeug – Drehbewegung. Unterbrochener Schnitt. Umfangs- oder Walzenfräsen Werkzeugachse parallel zur erzeugenden Werkstückoberflche, Spanungsquerschnitt nicht konstant (Komma-Span). Gleichlauffräsen: Kräfte auf Aufspannfläche gerichtet, Anwendung bei dünnen Werkstücken, benötigt steife Maschinen, zur Verfestigung neigende Werkstoffe, schlechte Oberflächengüte. Gegenlauffräsen: übliches Verfahren Stirnfräsen Werkzeugachse senkrecht zur Werkstückfläche, Stirnfräsen mit massiven Fräsern, Stirnfräsen mit Messerköpfen (Fräser bis 2 m Durchmesser). Profilfräsen Mit Formfräsern z.B. Walzenfräsern usw., Fräsen von Nuten, Radien, Zahnrädern, Führungsbahnen usw. Sägen Kreis-, Band- und Bügelsägen, Sonderfall des Fräsens mit dünnen Scheibenfräsern, Trennen von Stahl, Leichtmetall, Holz usw. Bohren Spiralbohrer Werkzeug – Dreh- und Vorschubbewegung. Bohrer ist zweischneidiges Werkzeug. Spanwinkel = Winkel zwischen Normale + Schnittfläche, ändert sich über den Bohrerquerschnitt. Möglichkeit zur Steigerung der Leistung bietet sich in der Veränderung der Bohrer Geometrie sowie vom Schneidstoff. Kernloch – Ausspitzen. Kühlung unterstützt Späneabfuhr, Bohrtiefe max 10*D. Räumen Werkstück – keine Bewegung, Werkzeug – Hubbewegung, Vorschub ersetzt durch Steigung der Zähne, nach einem Hub ist das Arbeitsergebnis erreicht. Unterscheidung: Innen- und Außenräumen. Räumnadel hat Schrupp – Schlicht – und Kalibrierteil. Herstellung komplizierter Querschnitte, wirtschaftlich nur bei Serienfertigung. Schneidstoffe und Schneidstoffentwicklungen Damit der Verschleiß gering bleibt und Ausbrüche oder Totalbruch vermieden werden, müssen Schneidstoffe über besondere Eigenschaften verfügen: Härte und Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Zähigkeit, Kantenfestigkeit, innere Bindefestigkeit, Warmfestigkeit, Zunderbeständigkeit, geringe Diffusion und Klebneigung. Auch Wärmeleitfähigkeit und Wärmedehnung sollten dem Verwendungszweck entgegenkommen. Die Schneidstoffhauptstähle sind: Werkzeugstähle, Schnellarbeitsstähle, Stellite, Hartmetalle, Schneidkeramik, Diamanten. Werkzeugstahl: erhalten Härte durch Martensitbildung. Erwärmen über Austenitisierungstemperatur, Abschrecken im Wasserbad, Anlassen. Unlegierter Werkzeugstahl: Zusammensetzung 1,25% C, Si u. Mn. Unlegierte Werkzeugstähle härten infolge unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten nicht über dem gesamten Querschnitt gleichmäßig durch, sondern sind an der Werkstückoberfläche härter als im Werkstückinnern, Feilen, Sticheln, Sägeblätter. Legierter Werkzeugstahl: Vorteil gegenüber unlegiertem Werkzeugstahl liegt in der Erhöhung der Verschleißfestigkeit. Gleichzeitig sinkt dadurch die kritische Abkühlgeschwindigkeit, so daß eine

bessere Durchhärtung über dem Querschnitt erreicht wird, Drehmeisel, Reibahlen, Gewindeschneidwerkzeuge. Hochleistungs- und Schnellarbeitsstahl (HSS): zeichnet sich gegenüber Werkzeugstahl durch eine verbesserte Anlaßbeständigkeit des Grundgefüges und eine erhöhte Härte aus, die hauptsächlich durch Anzahl und Verteilung der Karbide entsteht. Schnellarbeitsstähle werden mit der Bezeichnung S und der prozentualen Angabe der Legierungselemente gekennzeichnet. Die Einteilung der Schnellarbeitsstähle erfolgt nach ihrem W- und Mo-Gehalt in vier Legierungsgruppen. Wärmebehandlung: nach dem Erschmelzen und Abgießen schließt sich ein Blockglühen an. Es erfolgt ein Schmiedevorgang sowie ein Walzvorgang. Nach dem Fertigglühen wird der Stahl in 3 Stufen vorgewärmt und anschließend gehärtet. Nach dem Abschrecken wird in mehreren Stufen angelassen. Stellite: Stellite sind gegossene, eisenfreie Legierungen aus Kobalt. Bei kleinen Schnittgeschwindigkeiten sind Schnellarbeitstähle durch größere Härte überlegen, bei hohen Schnittgeschwindigkeiten reicht die Warmhärte der Stellite nicht mehr aus. Hartmetalle: sind Sinterwerkstoffe und bestehen aus einer Bindephase (Verbindung der spröden Karbide (zur Erzielung hoher Warmhärte und Verschleißfestigkeit) zu einem relativ festen Körper), in die Karbide eingebettet sind. Vorteile: gute Gefügegleichmäßigkeit durch pulvermetallurgische Herstellung, hohe Warmhärte und Verschleißfestigkeit, hohe Druckfestigkeit, Möglichkeit durch Variation der Karbide und Bindemittelphase unterschiedliche Eigenschaften zu erzeugen. Hartmetallherstellung auf pulvermetallurgischem Wege (Vorsintern, mechan. Formgebung, Fertigsintern). Wendeschneideplatten werden durch Formpressen und anschließendes Sintern hergestellt. Einteilung der Hartmetalle: Man unterscheidet die drei für die Zerspanung angewendeten Gruppen P-, M-, K-Sorten. Für Bergbau B-Gruppen und Fließpresswerkzeuge G-Gruppen. Entwicklung auf dem Hartmetallsektor: Um die Vorteile der einzelnen LE besser zu nutzen, entwickelte man beschichtete Hartmetalle. Sie bestehen aus einem zähen Grundkörper, auf den eine verschleißfeste, feinkörnige Hartstoffschicht aufgedampft wird. Durch die Beschichtung ergeben sich bis zu 3-fache Standzeitverlängerungen. Beschichtete Hartmetalle sind nicht geeignet für die Zerspanung von Al, Mg, Ti Legierungen. Schneidkeramik : ist ein naturharter Schneidstoff, auf Oxidbasis und wird aus Bauxit gewonnen. Die Herstellung der Schneidkeramik erfolgt durch Sintern oder Heißpressen. Vorteile: hohe Verschleißfestigkeit, hohe Schnittgeschwindigkeit, bleibt nahezu kalt, Zerpanwärme wird mit Spänen abgeführt. Nachteile: geringe Biegebruchfestigkeit, Empfindlichkeit auf Schlag- und Temperaturwechsel. Infolge Affinität zu Al lassen sich mit Schneidkeramik keine Al-, Mg- und Ti-Legierungen zerspanen. Diamantschneidstoff: Im Bereich der Diamantschneidstoffe werden natürliche und künstliche Diamanten eingesetzt. Diese sehr harten Einkristalle (monokristalliner Kohlenstoff) sind für unterbrochene Schnitte ungeeignet. Besitzt geringe Druck- und Schubfestigkeit, max. Temperaturbelastung von 850°C. Hauptsächlich für Feinbearbeitung. Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneidenform Schleifen, Honen, Läppen. Es sind vorwiegend Verfahren zur Feinbearbeitung mit rotatorischer Hauptschnittbewegung. Schneidstoffe Als Werkzeuge dienen bebundene (Schleifen, Honen) oder ungebundene (Läppen) Schleifmittel. Bei den Schleifscheiben (gebundene Schleifmittel) sind die vielschneidigen unregelmäßig angeordneten Schneidkörner im peripheren Schneidenraum angeordnet. Damit die Schneidspitzen ihre Schneidfähigkeit bekommen, müssen die Schleifscheiben abgerichtet werden. Hierfür werden Diamantwerkzeuge benutzt. Die Beschaffenheit eines Schleifkörpers wird vom Schleifmittel, Bindemittel, der Korngröße, Gefügestruktur und der Härte bestimmt. Als Schleifmittel kommen entsprechend des industriellen Mengeneinsatzes infrage: Korund, Siliziumkarbid, Bornitrid, Diamant. Die Härte einer Scheibe wird durch die Bindung bestimmt und nicht durch die Härte des Kornes. Harter Werkstoff zum Schleifen – weiche Bindung wählen. Rundschleifen Man unterscheidet hierbei entsprechend der Kinematik: Außenrundschleifen (Einstech-, Längsschleifen), Innenrundschleifen (Einstech-, Längsschleifen). Bearbeitung langer, zylindrischer Werkstücke, Wellen, Walzen und Profile. Trennschleifen: Bewegungsablauf wie beim Außenrundeinstechschleifen, schmale kunstharzgebundene Scheiben mit Fasereinlage zur Erzielung hoher Scheibenfestigkeit. Innenrundschleifen: dient zum Bearbeiten von Bohrungen, Werkzeuge sind kleine Schleifsstifte und Schleifkörper in verschiedenster Form. Flachschleifen Beim Flachschleifen führt das Werkstück die Vorschubbewegung aus. Schleifen ebener Flächen an Platten, Führungen, Paßstücke, Stempel, Schnittplatten.

Spitzenloses Schleifen Hierbei wird ein zylindrisches Werkstück gestützt durch eine Schiene (Lineal), mittels Regelscheibe an der Schleifscheibe vorbeigeführt. Schleifen kleiner Teile, Bolzen, Stifte, Schieber, Walzkörper. Honen Ziel: Verbesserung der Rauheit, des Traganteils, der Rundheit, Zylindrizitätskorrektur, Maßkorrektur, Beseitigung thermisch oder mechanisch beeinflußter Randzonen. Unterscheidung: Kurzhub-, Längshubhonen. Alle Kurzhubhonverfahren haben die Merkmale: mit hoher Frequenz oszillierender Honstein wird mit definierter Kraft gegen eine bewegte Werkstückoberfläche gedrückt. Durch die Schleifwirkung des flachen Honsteins erfolgt an der Werkstückoberfläche ein Materialabtrag, wobei Rauheit des Werkstücks schnell abnimmt und die Rundheit verbessert wird. Kennzeichen gehonter Oberflächen: infolge der Kinematik entstehen auf der Werkstückoberfläche sinusartige, sich kreuzende Bearbeitungsspuren. Beim Längshubhonen führt das Werkzeug die rotierende als auch die oszillierende Bewegung aus (z.B. Zylinderlaufbuchsen). Läppen Feinbearbeitungsverfahren, das mit ungebundenem Schleifkorn arbeitet. Dieses sogenannte Läppgemisch wird zwischen die Berührungsflächen von Werkstück und dem formübertragenden Werkzeug gebracht. Durch die ungeordneten Schneidbahnen der einzelnen Körner besitzen geläppte Oberflächen ungerichtete Bearbeitungsspuren. Planläppen (Wendeplatten, Meßwerkzeuge, Kupplungslamellen), Rundläppen (Wellen, Bohrungen, Pleuelaugen, Buchsen). Beim Läppen können Riefen mit bloßem Auge nicht mehr erkannt werden. Abtragen Bezeichnung für Fertigungsverfahren, bei denen das Abtrennen von Stoffteilchen auf nicht mechanische Weise erfolgt. Sie werden z.B. für die Formgebung von schwer zerspanbaren Werkstoffen angewandt. Unterscheidung: chemisches Abtragen (elektrochemisches Senken, Schleifen, Schneiden, Lösung), thermisches Abtragen (Elektroerosion, Elektronenstrahl, Laserstrahl, Brennschneiden). Elektrochemisches Senken Durch Verbindung zweier Elektroden wird eine galvanische Zelle gebildet. Der Elektrolyt ermöglicht die an einen Strom gebundene Ionenwanderung. Die Energie wird von einer äußeren Gleichstromquelle geliefert. Es wird der Abtrageffekt an der Anode genutzt. Das Werkstück ist deshalb anodisch und das Werkzeug kathodisch geschaltet. Ätzen Der Werkstoff wird durch Ätzmedien wie Säuren, Basen oder Salze abgetragen. An den Stellen an denen kein Werkstoffabtrag erfolgen soll, wird das Werkstück abgedeckt. Das Ätzmittel greift nur die freien Metallflächen an, so daß der Werkstoff an den abgedeckten Flächen nicht abgetragen wird. Elektroerosion Bearbeitungsverfahren an elektrisch leitendenen Werkstoffen, bei dem durch el. Entladungsvorgänge zwischen zwei Elektroden, dem Werkzeug und dem Werkstück unter einem Arbeitsmedium, dem Dieelektrikum, das Abtragen des Werkstoffes erfolgt. Die periodischen Entladungen werden durch Funkenüberschlag realisiert. Dabei aufschmelzen des Materials. Impulsentladung erfolgt im Dieelektrikum. Das Ändern von Impulsvorgang und –dauer beeinflußt das Arbeitsergebnis. Unabhängigkeit von Härte und Festigkeit des Werkstoffs. Gesenkbearbeitung. Elektronenstrahlbearbeitung Der Abtravorgang beruht auf der thermischen Wirkung eines gebündelten, hochenergetischen Elektronenstrahls auf das zu trennende Werkstück. Hierbei schmilzt und verdampft der Werkstoff. Alle Werkstoffe bearbeitbar. Bedingt durch die teueren Anlagen sind die Einsatzgebiete begrenzt. Düsen, Ziehsteine, feine Kanäle... Laserstrahlbearbeitung Der Abtragvorgang beruht auf der thermischen Wirkung eines Photonenstrahles, der Werkstückwerkstoff zum Schmelzen und verdampfen bringt. Der Laser ist in einfacher Vorstellung ein elektronischer Verstärker, der eine zugeführte Energie in monochromatische und kohärente Lichtwellen umwandelt und durch optische Linsen eine punktförmige Energiekonzentration mit großem Energieinhalt bewirkt. Brennschneiden Beim autogenen Brennschneiden erfolgt die Trennung des Werkstoffes aus der Energie der Heizflamme sowie aus der Oxidationswärme des zu trennenden Werkstoffes. Zur Durchführung des Brennschneidens ist neben den gerätetechnischen Vorraussetzungen vor allem das Düsensystem von Bedeutung. Durch die Heizdüse strömt das Brenngas -Sauerstoff-Gemisch, das am Düsenaustritt gezündet wird und die Heizflamme bildet. Durch die Schneidedüse wird der Schneidsauerstoff zugeführt, der den Werkstoff oxidiert und aus der Schnittfuge bläst. Ein Werkstoff ist gut trennbar, wenn: er bei Zündtemperatur lebhaft mit Sauerstoff reagiert, Schmelze dünnflüssig ist. Beim

Brennschneiden ist infolge Anschmelzen der Schnittkante diese u.U. thermisch belastet und geschädigt worden, Spannungen, Risse. Fügen Fügen, oft auch Verbinden genannt, ist das Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken, geometrisch bestimmter fester Form. Dabei wird jeweils der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im ganzen vermehrt. Unterscheidung: Zusammenlegen (Paßfeder in Nut, Zugfeder einhängen, Federringe, Einspreizen), Füllen (Neongaß in Leuchtröhre), An- und Einpressen (Schrauben, Klemmen, Schrumpfen), Urformen (Ausgießen, Aluminothermisches Schweißen), Umformen (Nieten, Falzen, Bördeln, Aufweiten, Sicken), Stoffvereinigen (Schweißen, Löten, Kleben). Die Aufgabenstellung in der Fügetechnik besteht darin, einfach gestaltete und billig zu fertigende Bauelemente zu einem Erzeugnis zusammenzufügen, so daß alle Funktions- und Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Fügen durch Zusammenlegen Unter Zusammenlegen ist Einlegen, zueinanderschieben, einhängen, einspreizen zu verstehen. Die Fügeverbindung kann dabei kraft- oder auch formschlüssig sein. Fügen durch Füllen Hierbei handelt es sich um das Einbringen von gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen in kleine Hohlkörper. Neongas in Leuchröhren, Bremsflüssigkeit in Bremszylinder, Metallstücke in Filtergehäuse. Fügen durch An- und Einpressen Sammelbegriff für die Verfahren, bei denen beim Fügen die Fügeteile im wesentlichen nur elastisch verformt werden und ungewolltes Lösen durch Haftkraft verhindert wird. Fügen durch Urformen Hohlräume zwischen Konstruktionsteilen können mit leicht schmelzbaren Gießmetallen oder auch Gießharzen ausgefüllt werden. Weiteres charakteristisches Verfahren: aluminotherm Schweißen, man mischt Al-Pulver mit Eisenoxid. Bei einer Temperatur von 1100°C entzündet sich das Thermitgemisch und brennt von selbst unter Erzeugung hoher Temperaturen weiter. Anwendung finden diese Verfahren insbesondere beim Schienenschweißen, Schweißen von Bewehrungsstählen bei Betonfertigteilen. Fügen durch Umformen Hierzu gehören sämtliche Nietverbindungen. Beim Bördeln werden ein oder beide Enden eines rohrförmigen Fügeteils durch Bord mit dem zu fügenden Teil formschlüssig verbunden. Wobei das Umlegen des Bördelrandes unter Druckeinwirkung mittels einer Bördelrolle vonstatten geht. Beim Weiten werden hohle Innenteile bildsam aufgeweitet, so daß sie kraft- oder formschlüssig mit dem Außenteil verbunden sind. Das Rohreinwalzen wird unter anderem im Kesselbau beim Einwalzen der Siederohre angewendet. Falzen wird insbesondere bei der Dünnblechverarbeitung bei Stahl- oder NE-Metallen eingesetzt. Neben der Fertigung von Hand werden insbesondere auch Falzmaschinen eingesetzt, die eine Mechanisierung sowie Teilautomatisierung zulassen. Konservendosen werden durch Falzen hergestellt und verschlossen. Man unterscheidet zwischen Bodenfalz, Deckelfalz und Mantelfalz. Die Herstellung einer Falznaht erfolgt mindestens in 3 Arbeitsstufen: vorgerichtet, umgebördelt, nachgesetzt. Absolute Dichtheit der Nähte wird erreicht, wenn die Falz zusätzlich verlötet wird. Fügen durch Stoffvereinigen Kleben, Löten, Schweißen. Kleben Das Metallkleben hat sich als ein Fügeverfahren entwickelt, das besonders zur Durchsetzung der Leichtbauweise und zum Einsatz hochfester Leichtmetalllegierungen in den verschiedensten Konstruktionen beigetragen hat. Durch geschickte Anordnung der Fügestelle, durch günstige geometrische Form und optimale Bemessungen lassen sich die Festigkeits- und Tragfähigkeitseigenschaften der Werkstoffe weitestgehend optimal nutzen. Allgemein wird unter Metallkleben das Herstellen einer festen, unlösbaren Verbindung mehrerer Fügeteile aus Metall durch einen Klebstoff, der durch chemische Reaktion, durch Bildung von Makromolekülen oder durch physikalische Vorgänge verfestigt wird, verstanden. Hierbei wird die Festigkeit durch Adhäsion und Kahäsion erreicht. Die Adhäsion wird durch die Haftkraft zwischen Klebstoff und Fügeteil zum Ausdruck gebracht, wobei mechanische, chemische und physikalische Haltekräfte wirksam werden. Herstellung der Klebverbindung: Der erfolgreiche Einsatz des Klebens in der Industrie hängt neben fachgemäßer Verarbeitung bevorzugt vom klebgerechten Konstruieren ab. Klebverbindungen haben im wesentlichen Zug-, Schub- und Schälkräfte zu übertragen. Auf Zug beanspruchte Stumpfstöße sind wegen der geringen Zugfestigkeit der Klebstoffe, die eine Zehnerpotenz unter der der Metalle liegt, zu vermeiden. Die Klebflächen lassen sich durch Überlappen und durch Laschen vergrößern, so daß die

Festigkeitseigenschaften der Fügeteilwerkstoffe besser ausgenutzt werden. Treten an geklebten Bauteilen Biegebeanspruchungen auf, muß das Abschälen durch Niete oder Schweißpunkte entlang der gefährdeten Kante verhindert werden. Metallklebstoffe sind als Kalt- oder Warmhärter ausgelegt und zwar meist als Zweikomponentenklebstoffe. Durch den Aushärtungsprozeß entstehen hochpolymere Produkte, die untereinander mehr oder weniger vernetzt sind. Unterscheidung: wärmehärtende (Duroplaste), wärmeplastische (Thermoplaste), Mischklebstoffe. Schienenfahrzeuge, Verkleidungen, Bootsbau, Rad-Wellen-Verbindungen, Kugellagerbefestigung, Werkzeugbefestigung, Kennzeichenbefestigung.