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Kaltumformung optimieren durch komplexe Prozessbetrachtung

22.07.2009
Wenn es um komplexe Multifunktionsteile geht, die sich durch eine hohe Präzision auszeichnen, war bisher das Drehen das meistgenutzte Verfahren. Da der spanende Herstellungsprozess jedoch auch hohe Teilekosten hervorruft, sind Alternativen willkommen. Im Bereich der Kaltumformung gibt es noch viel Potenzial.

Beim Kaltumformen werden Werkstoffe unterhalb der Rekristallisationstemperatur durch die Einwirkung äußerer Kräfte in eine andere geometrische Form gebracht. Etwa 55 t Kaltfließpressstähle und Nichteisenmetalle werden so täglich am Produktionsstandort der Firma Arnold-Umformtechnik in Forchtenberg-Ernsbach in Baden-Württemberg verarbeitet.

Kaltumformung entwickelt sich ständig weiter

Dieses alte und traditionelle Verfahren wurde in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. In enger Zusammenarbeit mit Kunden werden bei der Arnold Umformtechnik hochwertige Verbindungselemente entwickelt und gefertigt – komplexe Kaltfließpressteile, die höchsten Ansprüchen der Maschinenbau-, Elektro- und Fahrzeugindustrie genügen.

Das Verfahren der Kaltumformung lässt sich der umfangreichsten Hauptgruppe, Hauptgruppe 2 – Umformen nach DIN 8580, zuordnen. Die Form eines festen Vormaterials wird durch plastisches Verformen geändert, Zusammenhalt und Masse des Werkstücks bleiben dabei erhalten. Die Kaltumformung findet bei Raumtemperatur, ohne ein vorheriges Anwärmen der Rohteile statt.

Kaltumformung produziert Werkstücke mit hoher Oberflächengenauigkeit und ohne Materialverlust

Es können Werkstücke mit einer hohen Oberflächengenauigkeit gefertigt werden. Es entstehen keine Materialverluste während des Festigungsprozesses. Das Verfahren weist außerdem eine hohe Produktivität auf, da auf Pressen mit hoher Teileausbringung gefertigt werden kann (Hubzahl zwischen 150 und 300 Teilen pro Minute).

Maschinen für die Kaltumformung sind in der Regel Horizontalpressen, bei denen der Draht zugeführt und auf ein geeignetes Maß abgelängt wird. Danach wird dieser durch eine Abfolge von Stempeln und Matrizen geführt, um das Material in die gewünschte Form zu bringen.

Zusätzlich kann ein hoher Grad an Automatisierung durch eine direkte Verknüpfung mit weiteren Maschinen, beispielsweise Gewindewalzmaschinen, erreicht werden. Auch die Kombination von mehreren Umformverfahren in einer Maschine bietet wirtschaftliche Vorteile.

Formänderungsvermögen der Werkstoffe

Durch den Umformprozess wird der Faserverlauf des Werkstückes nicht unterbrochen, und es kommt zu einer Kaltverfestigung im Material, was dem Endprodukt eine hohe Festigkeit verleiht. Insbesondere bei großen Stückzahlen ist das Verfahren wirtschaftlich, da die Werkzeuge und deren Entwicklungskosten bei komplexen Teilen hohe Dimensionen annehmen können. Aus Fertigungssicht sind aufgrund langer Maschinenrüstzeiten ebenfalls Losgrößen > 100000 Stück anzustreben.

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

Kaltumformung verfestigt auch den Werkstoff

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

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

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

Risse und Brüche setzen der Kaltumformung Grenzen

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

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

Umformverfahren lassen sich in Computersimulation kombinieren und optimieren

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

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

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

Der Umformgrad ist jedoch normalerweise durch das Formänderungsvermögen des Werkstückes und weniger durch die Belastbarkeit der Umformwerkzeuge begrenzt. Bei Grenzüberschreitung kommt es hier zu sogenannten Schubrissen, Rissen, die sich an der Werkstückoberfläche in 45° zur Längsachse bilden und das Material aufklaffen lassen.

Simulation als Basis für die Optimierung

Bei der Optimierung von Fertigungsverfahren werden in der Umformtechnik oftmals Modelle benötigt, welche eine Analyse des Prozesses ermöglichen. Insbesondere dann, wenn die Umformverfahren grenzwertig sind. Das numerische Verfahren zur Lösung komplexer Differenzialgleichungen, die Finite-Elemente-Methode, bietet hier eine sehr gute Möglichkeit.

In Bild 1 (siehe Bildergalerie) werden Stadien aus einer 5-stufigen Umformung einer konischen Buchse und deren Umformgrade gezeigt. Durch diese Umformsimulation kann bereits während der Konstruktionsphase der Prozess untersucht und optimiert werden. Es lassen sich hierbei Umformgrenzen aufzeigen und gegebenenfalls Werkzeug- und Prozessänderungen ableiten.

Umformsimulationen ermöglichen Machbarkeitsanalysen

Mit Hilfe von Umformsimulationen können Machbarkeitsanalysen durchgeführt werden, um die Verfahrensgrenzen der Umformbarkeit voll auszuschöpfen. Durch die Prozesssimulation lassen sich die hohen Kosten für die Stadien- und Werkzeugentwicklung minimieren, so dass dadurch das Fließpressen auch für kleinere bis mittlere Bedarfsmengen (Jahresbedarfe ab 100000 Stück) wirtschaftlich sein kann.

Wie genau die Ergebnisse einer Simulation sein können, zeigen die Schliffbilder von durchgeführten Stauchversuchen. Hierfür wurde eine einfache zweistufige Umformung untersucht und direkt mit den Simulationsergebnissen verglichen.

Bei diesem Prozess handelt es sich um die Ausformung einer Linsenschraube mit Innenantrieb. Für den Vergleich wurde nur der Bereich mit den größten Umformgraden im Schraubenkopf herangezogen und analysiert (Bild 2).

Umformsimulation zeigt Gefahr von kleinsten Faltungen im Voraus

Im Schliff des Schraubenkopfes lassen sich die gleichen kritischen Bereiche wie in der Simulation erkennen (Bild 3). Die Fasern sind im Bereich der größten Kaltverfestigung stark gekrümmt und es ist eine deutliche Umbruchstelle erkennbar. Selbst die Gefahr von kleinsten Faltungen im Inneren des Schraubenantriebes lässt sich anhand der Umformsimulation frühzeitig aufzeigen.

Zudem kann mit Hilfe der Simulation eine Schadensvorhersage durchgeführt werden. Die Prozessgrenze in der Umformung liegt in der Thematik des Auftretens von Risserscheinungen, deren Nichtbeachtung zu schwerwiegenden Konsequenzen beim Endprodukt führen kann. Als besonders kritisch stellen sich Risse im Inneren von Bauteilen dar, welche nur beim Durchtrennen dieser oder durch Ultraschallprüfungen auszumachen sind. Die Umformsimulation kann hierbei schon frühzeitig eingreifen und rissgefährdete Bereiche mit speziellen Schädigungsmodellen aufzeigen.

Bei der Auswahl des geeigneten Werkstoffes richtet man sich vorrangig nach den geforderten technischen Eigenschaften des Endproduktes. Für das Kaltfließpressen ist im Allgemeinen eine niedrige Fließspannung (Formänderungsfestigkeit) bei hohem Formänderungsvermögen erwünscht. Grundsätzlich kommen Werkstoffe mit einem niedrigen Legierungsanteil zum Einsatz, da diese ein gutes Umformverhalten zeigen.

Werkstoffe für die Kaltumformung

Die Umformbarkeit basiert auf der kristallinen Struktur der Metalle. Durch Überschreiten der Grenzbeanspruchung erfolgt die Verschiebung kleinster Werkstoffschichten auf sogenannten Gleitsystemen. Die Summe dieser Gleitungen führt zur bleibenden Formänderung des Werkstückes.

Die Materialien, die für die Kaltumformung benutzt werden, umfassen zum Beispiel Kohlenstoffstähle, Messing, Edelstahl, Kupfer, Edelmetalle, Aluminium und entsprechen in der Regel den Anforderungen der DIN EN 10263. Für die Herstellung von komplexen Kaltfließpressteilen mit starker Querschnittsänderung eignen sich Werkstoffe mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, wie beispielsweise C8C oder C10C.

Wenn an das Umformteil erhöhte Festigkeitsanforderungen gestellt werden, kommen Vergütungs- und Einsatzstähle zum Einsatz, die durch eine nachträgliche Wärmebehandlung in den gewünschten Festigkeitszustand versetzt werden. Typische Legierungen sind hier 20MnB4 und 38B2.

Kaltumformung erfordert Werkstoff mit C-Gehalt unter 0,5%

Voraussetzungen für ein einwandfreies Rohmaterial sind optimal verformungsfähige Gefügestrukturen, ein C-Gehalt unter 0,5%, minimaler Anteil an nichtmetallischen Einschlüssen, eine riss- und fehlerfreie Oberfläche sowie eine gute Oberflächenbeschichtung der Kaltstauchdrähte.

Kaltfließpressen findet bevorzugt Anwendung bei der Herstellung von hochbeanspruchten maß- und formgenauen Bauteilen. An die Produkte werden je nach Anwendungsfall die verschiedensten Anforderungen gestellt. So übernehmen sie neben der typischen Aufgabe, dem Verbinden von Baugruppen, oftmals die Funktion von funktionsintegrierten Formteilen, die zusätzliche Aufgaben wie Lagern, Verstellen, Entkoppeln, Steuern und Positionieren, aber auch Dichten und Isolieren in ihrer Baugruppe übernehmen.

Zu finden sind sie oftmals in Antriebs- und Verstellsystemen, beispielsweise in Sitzen, Scheinwerfern und Fensterhebern. Ebenso können das auch Buchsen und Einlegeteile sein, die in Kunststoff umspritzt werden und aufgrund der komplexen Spritzwerkzeuge höchsten Anforderungen an Toleranzen in Form und Lage entsprechen müssen.

Der von der Firma Arnold Umformtechnik eingeführte Markenname Conform steht im zweifachen Sinn für die Produkte, welche sich dahinter verbergen. Zusammengesetzt aus den Begriffen „connecting“ und „form“ zeigt er zum einen Funktion und Nutzen des Produktes, zum anderen steht er für Konformität, die Anpassung eines Produktes an die Anforderungen der Kunden. Hinter dieser simplen Erläuterung steht oftmals ein langwieriger Prozess, die Kundenanforderungen aufzunehmen und unter stetiger Berücksichtigung der Kosten und verfahrensbedingten Gegebenheiten zu einer gemeinsamen Lösung zu entwickeln.

Frühzeitige Einbeziehung der Experten spart Zeit

Natürlich können Kaltfließpressteile auch teilweise oder vollständig spanend nachbearbeitet werden, wenn dies zum Erreichen einer höheren Maßgenauigkeit oder Endkontur erforderlich ist. Erstes Ziel sollte jedoch sein, die Geometrie während der Entwicklung so abzustimmen, dass kaltumformtechnisch ein Formende (Net Shape) erreicht wird und nicht mehr nachbearbeitet werden muss. Bild 4 zeigt kaltfließpresstechnisch hergestellte Buchsen mit hoher Oberflächengüte (pressglatt) und einem nachträglich eingebrachten Einstich mit radialem Übergang.

Arnold Umformtechnik kann dem Kunden das gesamte Leistungsportfolio im Produktentstehungsprozess anbieten. Eine frühe Einbindung der Experten aus dem jeweiligen Unternehmen ist dabei stets ratsam. So sollte schon vor dem Musteraufbau aus Prototypen der Hersteller mit der Erfahrung im dafür vorgesehenen Serienprozess hinzugezogen werden. Diese Unterstützung wird während und nach Abschluss der Musterphase wertvolle Zeit einsparen und die Teilekosten, die im Einkauf der Serie entstehen, auf das Nötigste reduzieren.

Kurzer Prozess für funktionsrelevante Prototypen

Steigende technische und Qualitätsanforderungen, der Kostendruck und die Verkürzung von Entwicklungszeiten beeinflussen den Gestaltungsprozess. Entwicklung und Konstruktion sind heute gezwungen, den gesamten Lebenslauf eines Produktes zu betrachten. Folgendes Modell soll aufzeigen, an welchen Stellen gezielt durch das Zutun von Spezialisten Hilfestellung gegeben werden kann (Bild 5).

Aus Sicht von Arnold Umformtechnik sollte ein erster Kontakt stattfinden, wenn ein Konzept und die dazugehörige Konstruktion mit einer prinzipiellen Lösung erstellt wurde. Anhand einer Entwurfszeichnung kann unter Berücksichtigung des Herstellungsverfahrens mit den verfahrenstechnischen Grenzwerten und dem jeweiligen vorgesehenen Verbaufall auf die Form Einfluss genommen werden.

Auch im nächsten Schritt, in der Phase des Musteraufbaus, bietet die Firma Arnold ihre Unterstützung an. Der so genannte „Arnold Fastener Express“ ist eine Einheit, die sich ausschließlich mit der Erstellung von funktionsrelevanten Prototypen befasst.

Dabei entstehen komplexe Muster, die in Werkstoff und Form den späteren Serienteilen entsprechen. Dem Kunden kommen dabei die kurze Entwicklungs- und Herstellungsphase von 2 bis 3 Wochen und die kleinen Abnahmemengen von 10 bis 1000 Teilen entgegen.

Literatur

[1] Just, Hendrik: Erweiterung der Formgebungsgrenzen rissbehafteter Halbwarm-Massivumformprozesse unter Anwendung der Schädigungsmechanik und der Finite-Elemente-Methode, Dissertation, Berichte aus dem Institut für Konstruktions- und Fertigungstechnik, Band 5, Shaker Verlag Aachen 2005

[2] Schuler: Handbuch der Umformtechnik, Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag 1993

Dipl.-Ing. B.A. Lukas Schmieg ist Leiter Zentrale Technik bei der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG, 74670 Forchtenberg-Ernsbach, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Truetsch und Dipl.-Ing. B.A. Patrick Werner sind Konstrukteure im Bereich der Mehrstufenumformung bei der Arnold Umformtechnik

Annedore Munde | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/umformtechnik/articles/212090/index4.html

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