Umformverfahren in der Oberflächentechnik

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Das Umformen umfasst diejenigen Fertigungsverfahren, bei denen Werkzeuge mittels hoher äußerer Kräfte eine gezielte Änderung der Konturen von Werkstoffen hervorrufen. Eine Voraussetzung dafür ist das enge Zusammenwirken von Material und Werkzeugen, das die Kraftübertragung ermöglicht und gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen den Akteuren zulässt. Die Aufgabe der Umformschmierstoffe ist es, diese Bedingung zu schaffen. Informieren Sie sich hier über die Vielfalt der Umformverfahren. Gewinnen Sie einen Eindruck davon, wie die Oberflächentechnik durch die Bereitstellung optimaler Schmiermittel zum Gelingen der unterschiedlichen Prozesse beiträgt.

Welche Umformverfahren gibt es?

Einteilung nach DIN 8582

Mit der Einteilung der Umformverfahren beschäftigt sich die DIN 8582. Diese Norm zieht den vorherrschenden Spannungszustand im Werkstoff als Kriterium für die Definition der einzelnen Fertigungsverfahren heran. Es ist leicht einzusehen, dass die Wirkung der äußeren Kräfte von der Materialmenge abhängt, die von ihnen bewegt werden soll. Deshalb bezieht man die Kraft auf den vom Umformen betroffenen Querschnitt des Werkstücks. Das Ergebnis ist die Spannung. Sie wird in der Maßeinheit N/mm² angegeben. Die Richtungen, in der die Kräfte angreifen, bestimmen, ob sich Zug-, Druck- Biege- oder Schubspannungen einstellen. Entsprechend sieht die DIN 8582 folgende Umformverfahren vor:

• Druckumformen (Walzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Eindrücken, Durchdrücken)
• Zugdruckumformen (Durchziehen, Tiefziehen, Kragenziehen, Drücken, Knickbauchen)
• Zugumformen (Längen, Weiten, Tiefen)
• Biegeumformen (Biegen mit geradliniger oder drehender Werkzeugbewegung)
• Schubumformen (Verschieben, Verdrehen)

Für die Fertigung ist außerdem entscheidend, wie stark die erforderlichen Kräfte sein müssen. Die Größen hängen von der Werkstücktemperatur und von der Beschaffenheit der verwendeten Halbzeuge ab.

Einteilung nach der Werkstofftemperatur

Mit steigender Temperatur sinkt die Festigkeit der Werkstoffe. Die zum Umformen erforderlichen Kräfte verringern sich. Allerdings wirken sich hohe Temperaturen auch auf das Werkstoffgefüge und die Oberflächenbeschaffenheit (Zunderbildung) aus. Das Werkstoffgefüge lässt sich durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung in den benötigten Zustand zurückführen. Die Oberflächentechnik liefert die Methoden zur Beseitigung von Zunder. Die Einteilung der Umformverfahren nach der Werkstofftemperatur ergibt folgende Bereiche:

• Kaltumformung (bei Raumtemperatur, starke Umformkräfte, begrenztes Formänderungsvermögen, gute erreichbare Maßgenauigkeit)
• Halbwarmumformung (z.B. Stahl mit 650 bis 900 °C, Umformkräfte, Formänderungsvermögen und erreichbare Maßgenauigkeit im mittleren Bereich)
• Warmumformung (z.B. Stahl mit 1000 bis 1250 °C, geringe Umformkräfte, sehr gutes Formänderungsvermögen, geringe Maßgenauigkeit)

Einteilung nach der Halbzeugbeschaffenheit

Die für die Fertigungsverfahren benötigten Umformkräfte hängen unter anderem davon ab, ob vom Umformen alle drei Raumkoordinaten betroffen sind oder ob sich nur Länge und Breite des Halbzeugs ändern. Bei Blechen ist die Dicke im Verhältnis zu Länge und Breite nahezu vernachlässigbar. Sie ändert sich im Verlauf der Umformung auch nur geringfügig. Die benötigten Kräfte sind geringer als bei Umformverfahren, die Länge, Breite und Dicke des Halbzeuges verändern. Folglich werden in Bezug auf die Beschaffenheit der Halbzeuge die Blechumformung und die Massivumformung unterschieden.

Umformverfahren aus der Sicht der Fertigung

Bei den Fertigungsverfahren steht das Erzeugnis im Mittelpunkt. Daraus leiten sich Bezeichnungen für die Umformung ab, die sich auf das Endprodukt beziehen (z.B. Rohrziehen, Drahtziehen, Profilziehen, Strangpressen) und Bezeichnungen, die auf eine Kombinationen schließen lassen (z.B. Kaltumformung + Massivumformung = Kaltmassivumformung). Außerdem werden die Umformverfahren in der Fertigung weiter konkretisiert. Beispielsweise ist das Streckziehen ein Tiefziehen mit einfachen Werkzeugen.

Zusätzliche Arbeitsschritte ermöglichen die Umformung

Die Fertigungsverfahren umfassen neben dem eigentlichen Umformen auch zusätzliche Arbeitsschritte. Dazu zählen die Wärmebehandlung zum Einstellen oder Wiederherstellen von Werkstoffeigenschaften und die Oberflächenbearbeitung zur Vor- und Nachbereitung der Halbzeuge. Beispielsweise müssen die Oberflächen der Halbzeuge nach der Warmumformung vom Zunder befreit werden. Die Oberflächenbearbeitung dient auch dazu, Rauheitswerte so einzustellen, dass sich optimale Bedingungen für das Umformen ergeben. Für das Gelingen der Kaltmassivumformung ist in vielen Fällen die Erzeugung von speziellen Konversionsschichten durch spezielle Verfahren der Oberflächentechnik erforderlich, sogenannte Konversionsverfahren.

Umformschmierstoffe – mehr als nur Hilfsmittel

Umformschmierstoffe werden in der Fertigung zuweilen als reine Hilfsmittel betrachtet. Das wird ihnen jedoch angesichts der vielfältigen Aufgaben, die sie erfüllen müssen, nicht gerecht:

• Reibung und Verschleiß verringern
• Oberflächen gleichmäßig benetzen
• Kräfte übertragen
• Werkzeuge und Werkstoffe kühlen
• vor Korrosion schützen
• Wirkung von Verunreinigungen unterdrücken

Es bietet sich vielmehr der Vergleich mit Multifunktionswerkzeugen an. Die Eigenschaften der Schmierstoffe ändern sich mit wechselnden Temperaturen, Umformgeschwindigkeiten und Drücken. Umformschmierstoffe müssen folglich sorgfältig an die Betriebsbedingungen der einzelnen Umformverfahren angepasst werden. Beispielsweise ist ein Umformöl, das beim Gewindewalzen gute Dienste leistet, bei den Temperaturen der Warmumformung längst verdampft oder verbrannt. Ein Schmiermittel, das bei der Blechumformung Kräfte gut überträgt und gleichzeitig den direkten Kontakt zwischen Werkzeug und Material zuverlässig verhindert, scheitert bei den Verfahren der Kaltmassivumformung, wie beispielweise dem Rohrziehen, an den hohen Drücken im Schmierfilm. Die Oberflächentechnik liefert spezielle Umformschmierstoffe, die an die Betriebsbedingungen derartiger Fertigungsverfahren angepasst sind. Beispielsweise liefert sie Expanderöle für die Aufweitung von Großrohren.

So vielfältig die Umformverfahren, so zahlreich die Umformschmierstoffe

Für jedes Umformverfahren gibt es ein optimales Umformschmiermittel, das meistens auf der Grundlage von Schmieröl, Schmierfett oder einem Festschmiermittel hergestellt wird. Die Auswahl hängt vor allem von der Temperatur ab, bei der das Umformen erfolgt. Untergemischte Zusatzstoffe (Additive) passen die Eigenschaften präzise an die Betriebsbedingungen an.

Beispiel Warm- und Halbwarmumformung

Bei der Warm- und der Halbwarmumformung kommen oft Mischungen aus Öl und Grafit, Öl und Wachs, teilweise im Gemisch mit Wasser zum Einsatz. Das Wasser ist ein ausgezeichnetes Kühlmittel, weil es beim Verdampfen eine große Wärmemenge aufnimmt. Emulgatoren und Dispergiermittel bewirken, dass die Komponenten gleichmäßig in den Mischungen verteilt bleiben. Weitere Additive dienen unter anderem der Benetzbarkeit der Oberflächen, dem Korrosionsschutz und der Haftung auf den Oberflächen.

Beispiel Kaltmassivumformung

Beim Kaltmassivumformen haben die Werkstücke zu Beginn die Umgebungstemperatur. Die Temperatur steigt bei diesem Umformverfahren stark an. Außerdem kann es aufgrund der hohen wirkenden Kräfte zum Kaltverschweißen der Oberflächen von Material und Werkzeug kommen. Die bei den Fertigungsverfahren eingesetzten Umformschmierstoffe müssen folglich in einem hohen Temperaturbereich stabil bleiben und sollten den direkten Kontakt der Oberflächen verhindern. Normales Umformöl ist damit überfordert. Abhilfe können Verfahren der Oberflächentechnik schaffen, indem sie vor dem Umformen auf den Werkstückoberflächen Phosphatschichten erzeugen, die Werkzeug und Material voneinander getrennt halten. Ähnliches leisten reaktive Öle. Das sind Umformschmiermittel mit speziellen Additiven, die chemisch mit dem Werkstoff reagieren. Die Reaktionsprodukte bilden eine Trennschicht, die vor dem Kaltverschweißen schützt. Durch reaktive Öle gewinnen Fertigungsverfahren deutlich an Effizienz.

[1] https://www.iph-hannover.de/de/information/umformtechnik/ueberblick-umformtechnik/