Das Umformen (auch bildsame Formgebung) ist nach DIN 8580 eine der sechs Hauptgruppen von Fertigungsverfahren. Die wichtigsten Fertigungsverfahren der Umformtechnik sind das Walzen, das Freiformschmieden, das Gesenkschmieden, das Fließpressen, das Strangpressen, das Tiefziehen und das Biegen. Es handelt sich also um Verfahren, bei denen Rohteile aus plastischen Werkstoffen (Metalle und thermoplastische Kunststoffe) gezielt in eine andere Form gebracht werden, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen wie beim Trennen oder hinzuzugeben wie beim Fügen. Der Werkstoff behält seine Masse und seinen Zusammenhalt bei. Beim Trennen und Fügen wird die Masse und der Zusammenhalt dagegen vermindert beziehungsweise vermehrt.
Umformen unterscheidet sich von Verformen dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Verformung dagegen ist eine ungezielte plastische Formänderung (z. B. beim Straßenverkehrsunfall).
Die einzelnen Verfahren werden nach verschiedenen Kriterien zu Gruppen zusammengefasst: Nach der Dimension der Werkstücke wird unterschieden zwischen Massivumformung, Blechumformung und Drahtumformung. Nach der Temperatur wird unterschieden zwischen Kaltumformen, bei dem die Festigkeit der Werkstücke während der Bearbeitung zunimmt, und Warmumformen. In der DIN 8580 werden die Verfahren eingeteilt nach den mechanischen Spannungen, die in den Werkstücken wirken, in Druckumformen, Zugdruckumformen, Biegeumformen etc. Nach dem Urformen wird der größte Teil der Werkstoffe durch Umformen zu Halbzeugen (Blechen, Drähten und anderen Profilen (beispielsweise Stäbe, Knüppel)) weiterverarbeitet. Für die Fertigung von Massenprodukten ist die weitere Umformung der Halbzeuge meist das wirtschaftlichste Verfahren. Der Vorteil besteht unter anderem in der guten Materialausnutzung. Zudem ermöglichen Umformverfahren einen beanspruchungsgerechten Faserverlauf gegenüber spanabtragenden Verfahren oder Gießverfahren. Als weitere Vorteile sind eine hohe Prozesseffizienz aufgrund der häufig hohen Produktionsgeschwindigkeit der Umformaggregate sowie der geringe spezifische Energieverbrauch im Verhältnis zu vergleichbaren Fertigungsprozessen zu nennen.
Wichtige Umformmaschinen sind Biegemaschinen, Pressen, Fallhämmer, Oberdruck- und Gegenschlaghammer, Spindelpressen, Exzenterpressen und hydraulische Pressen. Die meisten eignen sich je nach eingebautem Werkzeug für mehrere Fertigungsverfahren.
Die Formänderung wird üblicherweise als Umformgrad angegeben und zusammen mit der Fließspannung, also der Spannung die nötig ist eine plastische Formänderung hervorzurufen, in Fließkurven festgehalten. Daraus lassen sich die Umformkraft und Umformarbeit berechnen.
Definition, Einordnung, Abgrenzung zum Verformen
Das Umformen ist eine der sechs Hauptgruppen von Fertigungsverfahren und steht in der Systematik somit an oberster Stelle. Die benachbarten fünf Hauptgruppen sind das Urformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern.
Das Umformen wird definiert in der DIN 8580 als „Fertigen durch bildsames oder plastisches Ändern der Form eines festen Körpers.“Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik - Grundlagen, Technologien, Maschinen Springer, 2. Auflage, 2010, S. 7.
Gemeinsames Einteilungskriterium ist der Stoffzusammenhalt. Beim Umformen wird er beibehalten, also weder vermindert wie beim Trennen oder vermehrt wie beim Fügen. Daraus folgt, dass zum Rohteil keinerlei Bestandteile dazukommen oder entfernt werden. Die Masse bleibt somit ebenfalls unverändert. In der Praxis sind die meisten verwendeten Werkstoffe in der Umformtechnik näherungsweise inkompressibel. Das Volumen des Rohteils bleibt somit näherungsweise ebenfalls erhalten. Dieses Gesetz der Volumenkonstanz ist eine wichtige Berechnungsgrundlage in der Umformtechnik.
Beim Verformen wird die Formänderung ungezielt oder ungewollt hervorgerufen. Beispielsweise beim Verkehrsunfall. Beim Umformen dagegen ist die Formänderung gezielt und gewollt. Ähnlich wie bei den Begriffen Umbauen und Umschmelzen.Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik - Grundlagen, Technologien, Maschinen Springer, 2. Auflage, 2010, S. 7.
Plastizität als Voraussetzung
Metallische Werkstoffe haben die Fähigkeit, sich unter Einwirkung äußerer Kräfte bleibend in ihrer geometrischen Form zu verändern, ohne dass der Materialzusammenhang verloren geht oder sich die Werkstückmasse ändert. Dieser als Plastizität bezeichnete Effekt liegt im Aufbau der Metalle begründet.Grundlagen der Umformtechnik, Prof. Mauk, IAM-2005
Metalle sind aus Kristalliten aufgebaut, deren Orientierung isotrop oder anisotrop ist. Plastische Formänderungen metallischer Werkstoffe erfolgen durch Fließen auf kristallographisch bevorzugten Gleitebenen und in bevorzugten Gleitrichtungen innerhalb der Kristallite. Gleitebenen und -richtungen sind abhängig vom Aufbau der Metalle und ihrer Gitterstrukturen (Metallgitter). Es werden kubisch raumzentrierte, kubisch flächenzentrierte oder hexagonale Gitterstrukturen unterschieden. Das Umformen der Metalle geschieht durch Wandern von Versetzungen (Translation) oder durch sog. Zwillingsbildung. Wandern beginnt, wenn eine angelegte Schubspannung die kritische Schubspannung überschreitet. Bei hexagonalem Aufbau der Metalle klappt das Gitter von einer Lage in eine andere Lage (Zwillingsbildung).
Wenn aufgrund der Umformung die im Werkstoff wirksamen Spannungen die Schubfestigkeit oder Trennfestigkeit ungewollt übersteigen, kommt es zu Schiebungs- oder Trennungsbrüchen, die das Werkstück unbrauchbar machen. Entgegenwirken kann man diesem Werkstoffversagen durch eine angepasstere Umformung, d. h. einen geänderten Stadiengang oder eine Temperaturerhöhung des Werkstoffs.
Heutzutage ist ein großes Forschungsgebiet in der Umformtechnik, ähnlich wie in anderen Fachbereichen, die Simulation. Mit Hilfe von verschiedenen Programmen (meist auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode, beispielsweise Autoform oder LS-DYNA) werden Umformverfahren modelliert, berechnet und die Berechnungsergebnisse visuell dargestellt. Dies ermöglicht eine genauere Fehlerprognose bei der Herstellung der Bauteile sowie die Optimierung des Materialverbrauchs und der Prozessgestaltung.
Werkstoffspektrum Grundsätzlich können alle plastisch verformbaren Werkstoffe umgeformt werden. Dies trifft auf alle Metalle und die meisten Legierungen zu. Der mit Abstand am häufigsten genutzte Werkstoff der Umformtechnik ist Stahl. Häufig genutzt wird noch Aluminium, Kupfer und deren Legierungen. Legierungen die für das Umformen gut geeignet und vorgesehen sind, werden als Knetlegierung bezeichnet. Teils werden sie ausdrücklich so bezeichnet wie die Aluminiumknetlegierung. Eine wichtige Ausnahme ist Stahl, eine „Eisenknetlegierung“ im Gegensatz zum nicht umformbaren Gusseisen. Genutzt werden auch noch Blei, Zinn, Zink, Nickel, Titan sowie deren Legierungen.König, Klocke: Fertigungsverfahren - Band 4: Umformen Springer, 5. Auflage S. 88–98, insb. S. 88.
Umformbarkeit Umformbarkeit ist eine Werkstoffeigenschaft die angibt, wie gut sich der Werkstoff durch Umformen bearbeiten lässt. Gewünscht sind niedrige Festigkeit, die zu geringen Bearbeitungskräften führt und hohe Bruchdehnung, die große Formänderungen ermöglicht.
Einteilung der Fertigungsverfahren Die Fertigungsverfahren der Umformtechnik werden nach mehreren Kriterien eingeteilt: Nach der Werkstücktemperatur wird unterschieden nach Warm- und Kaltumformung Nach der Dimension der Werkstücke in Massiv- und Blechumformung Nach der Beanspruchungsart (Z. B. Zug-, Druck- oder Biegebeanspruchung) wird in der DIN 8582 eingeteilt, auf die die Fachliteratur häufig Bezug nimmt.
Warm- und Kaltumformung Es wird zwischen Kaltumformung, Halbwarmumformung und Warmumformung unterschieden.
Bei der Warmumformung wird das Werkstück vor der Umformung auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs erwärmt. Dadurch kommt es während der Umformung regelmäßig zur Rekristallisation, die einer Verfestigung des Werkstoffes entgegenwirkt. Eine Kaltumformung geschieht unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Diese liegt für reines Eisen bei 450 °C und für Blei bei 3 °C, weshalb eine Umformung von Blei bei Raumtemperatur bereits Warmumformen ist. Bei der Halbwarmumformung erwärmt man das Werkstück auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, wodurch man die Vorteile der Warmumformung (leichtere Umformbarkeit und höheres Umformvermögen) mit den Vorteilen des Kaltumformens (Verfestigung, höhere Genauigkeit) verbinden kann. Für Stähle liegen technisch und ökonomisch sinnvolle Temperaturen zwischen 500 °C und 900 °C.König, Klocke: Fertigungsverfahren - Band 4: Umformen Springer, 5. Auflage S. 222f.
Blech- und Massivumformung Bei der Blechumformung werden Bleche als Rohteile genutzt. Meist handelt es sich um ebene Bleche. Vor allem durch die Automobilindustrie hat sie an Bedeutung gewonnen.Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik, Springer, 2010, 2. Auflage, S. 259. Wichtige Verfahren dafür sind das Biegen und das Tiefziehen sowie Verwinden, Drücken und Streckziehen.Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik, Springer, 2010, 2. Auflage, S. 259 f. Die Blechumformung wird meist als Kaltumformung durchgeführt.
Bei der Massivumformung werden dreidimensionale Rohteile genutzt, oder etwas genauer: Rohteile die in allen drei Dimensionen ähnliche Abmessungen haben. Die Massivumformung wird teils als Warm- und teils als Kaltumformung durchgeführt. Wichtige Fertigungsverfahren sind das Walzen, das Freiform- und Gesenkschmieden, Fließpressen, Strangpressen und Biegen von Stangen und Rohren.Eckart Doege, Bernd-Arno Behrens: Handbuch Umformtechnik, Springer, 2010, 2. Auflage, S. 269–471.
Einteilung nach Beanspruchung der Werkstücke (DIN 8582) Die Umformverfahren werden nach DIN 8582 unterteilt nach den Spannungen, die die Umformung vorwiegend bewirken.
Es werden folgende Gruppen unterschieden:
Druckumformen nach DIN 8583 Umformen bei vorherrschender Druckbeanspruchung. Fast alle Untergruppen haben eine große Bedeutung.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 9. Auflage, 2010, S. 411, 419. Walzen zwischen zwei oder mehreren rotierenden Werkzeugen, den Walzen. Genutzt wird es zur Herstellung von Platten, Blechen, Folien, Schrauben, Stahlrohren. Freiformen (auch Freiformschmieden): Umformen mit Werkzeugen, die die herzustellende Form nicht enthalten. Es wird häufig als Vorstufe für das Gesenkschmieden genutzt, ist sehr flexibel aber eher unproduktiv und geeignet für sehr große Werkstücke und kleine Serien. Gesenkformen (auch Gesenkschmieden), Umformen mit Werkzeugen die die herzustellende Form zumindest teilweise als Negativ enthalten. Wird vor allem in der Serienproduktion genutzt, beispielsweise für verschiedene Teile im Antrieb von Fahrzeugen. Es ist sehr produktiv aber wenig flexibel. Eindrücken, oberflächennahes Eindrücken von Formwerkzeugen. Hat nur geringe Bedeutung. Durchdrücken, hierzu gehören die wichtigen Verfahren des Strang- und Fließpressens, die für Serienteile und Konstruktionsprofile genutzt werden, und das vergleichsweise unbedeutende Verjüngen.
Zugdruckumformen nach DIN 8584 Umformen bei gleichzeitiger Beanspruchung durch Zug- und Druckbelastungen unterschiedlicher Wirkrichtung; Untergruppen:Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik, Springer, 9. Auflage, 2010, S. 411, 445. Durchziehen Ziehen von Rohteilen durch hohle Werkzeuge. Die Werkstücke werden schmaler und länger. Wird genutzt für die Herstellung von Draht, Rohren und Profilen Tiefziehen Das mit Abstand bedeutendste Verfahren der Gruppe. Hierbei werden flache Bleche in Hohlformen gezogen. Genutzt wird es zur Herstellung verschiedener Hohlkörper, darunter Getränkedosen, Karosserieteile oder Helme.