Warmumformung und Kaltumformung sind zwei verschiedene Metallumformungsverfahren, die ähnliche Ergebnisse liefern. Umformung ist der Prozess, bei dem Metall mithilfe bestimmter Werkzeuge und Geräte in eine vorbestimmte Form gebracht wird – Verformung erfolgt durch Warm-, Kalt- oder sogar Warmumformungsprozesse. Letztendlich wird der Hersteller eine Reihe von Kriterien prüfen, bevor er entscheidet, welche Art der Umformung für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Umformung wird dort eingesetzt, wo die Anordnung der Kornstruktur richtungsabhängige Eigenschaften des Teils verleiht, indem das Korn so ausgerichtet wird, dass es den höchsten Belastungen widersteht, denen das Teil ausgesetzt ist. Gießen und Zerspanen haben im Vergleich dazu meist weniger Kontrolle über die Anordnung der Kornstruktur.
Umformungsprozesse
Umformung wird definiert als das Formen oder Verformen von Metall im festen Zustand. Ein Großteil der Umformung erfolgt durch den Aufpressprozess, bei dem ein Hammer oder Ram horizontal gegen das Ende eines Stabes oder Stiels gedrückt wird, um das Ende zu verbreitern und die Form zu verändern. Das Teil durchläuft in der Regel mehrere Stationen, bevor es seine endgültige Form erreicht. Hochfeste Schrauben werden auf diese Weise „kaltgezogen“. Auch Ventile für Motoren werden durch Aufpressumformung hergestellt.
Beim Gesenkschmieden wird das Teil in einer Form geschlagen, um die Form der fertigen Teile zu erhalten, ähnlich wie beim offenen Schmieden eines Schmieds, bei dem das Metall gegen einen Amboss geschlagen wird, um die gewünschte Form zu erzielen. Es wird zwischen offenen und geschlossenen Gesenkschmieden unterschieden. Beim offenen Gesenkschmieden wird das Metall nie vollständig durch die Form eingeschränkt. Beim geschlossenen oder Eindrucks-Gesenkschmieden wird das Metall zwischen die Formhälften eingeschlossen. Mehrfache Hammerschläge gegen die Form zwingen das Metall in die Form des Gesenks, bis sich die Formhälften treffen. Die Energie für den Hammer kann durch Dampf, pneumatisch, mechanisch oder hydraulisch bereitgestellt werden. Beim echten Gesenkschmieden treibt allein die Schwerkraft den Hammer nach unten, viele Systeme verwenden jedoch eine Kraftunterstützung in Kombination mit Schwerkraft. Der Hammer schlägt eine Reihe von relativ schnellen, niedrigen Kraftschlägen, um die Form zu schließen.
Beim Pressschmieden wird hoher Druck anstelle hoher Geschwindigkeit eingesetzt, und die Formhälften werden in einem einzigen Zug geschlossen, meist durch eine Kraftschraube oder Hydraulikzylinder. Hammerumformung wird oft für die Herstellung kleinerer Stückzahlen verwendet, während Pressumformung in der Regel für große Serien und Automatisierung reserviert ist. Die langsame Anwendung beim Pressschmieden arbeitet das Innere des Teils besser heraus als das Hammerschlagen und wird häufig bei großen, hochwertigen Teilen eingesetzt (z.B. Titanflugzeugrumpfsektionen). Weitere spezialisierte Umformverfahren basieren auf diesen Grundprinzipien: Lagerlaufbahnen und große Radsätze werden beispielsweise durch ein Verfahren namens Walzringumformung hergestellt, das nahtlose kreisförmige Teile produziert.
Warmumformung
Wenn ein Stück Metall warm umgeformt wird, muss es erheblich erhitzt werden. Die durchschnittliche Temperatur für die Warmumformung verschiedener Metalle ist:
Bis zu 1150°C für Stahl
360 bis 520°C für Al-Legierungen
700 bis 800°C für Cu-Legierungen
Während der Warmumformung wird das Rohstück oder die Bramme entweder induktiv oder in einem Schmiedofen oder -ofen auf eine Temperatur oberhalb des Rekristallisationspunkts des Metalls erhitzt. Diese extreme Hitze ist notwendig, um das Spannungs-Härten des Metalls während der Verformung zu vermeiden. Da das Metall in einem plastischen Zustand ist, können ziemlich komplexe Formen hergestellt werden. Das Metall bleibt duktil und formbar.
Um bestimmte Metalle wie Superlegierungen zu schmieden, wird eine Art der Warmumformung namens isotherme Umformung eingesetzt. Hierbei wird die Form auf etwa die Temperatur des Rohstücks erhitzt, um eine Abkühlung der Oberfläche während der Umformung zu vermeiden. Manchmal wird das Schmieden auch in kontrollierten Atmosphären durchgeführt, um die Bildung von Skalen zu minimieren.
Traditionell wählen Hersteller die Warmumformung für die Herstellung von Teilen, weil sie die Verformung des Materials im plastischen Zustand ermöglicht, in dem das Metall leichter zu bearbeiten ist. Warmumformung wird auch für die Verformung von Metallen mit hohem Formbarkeitsgrad empfohlen, einem Maß dafür, wie viel Verformung ein Metall ohne Fehlerentwicklung durchlaufen kann. Weitere Überlegungen für die Warmumformung sind:
Herstellung diskreter Teile
Niedrige bis mittlere Genauigkeit
Geringe Spannungen oder geringe Kaltverfestigung
Homogenisierte Kornstruktur
Erhöhte Duktilität
Eliminierung chemischer Inkongruenzen und Porosität
Mögliche Nachteile des Warmumformens sind:
Weniger präzise Toleranzen
Mögliche Verformung des Materials während des Abkühlprozesses
Variierende Metallkornstruktur
Mögliche Reaktionen zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem Metall (Skalierung)
Kaltumformung (oder Kaltformen)
Kaltumformung verformt Metall, während es unter seinem Rekrystallisationspunkt liegt. Kaltumformung erhöht die Zugfestigkeit und die Streckgrenze erheblich, während die Duktilität reduziert wird. Kaltumformung findet in der Regel bei Raumtemperatur statt. Die häufigsten Metalle in Kaltumformungsanwendungen sind Standard- oder Kohlenstofflegierungen. Kaltumformung ist typischerweise ein Geschlossensetzverfahren.
Kaltumformung wird im Allgemeinen bevorzugt, wenn das Metall bereits ein weiches Metall ist, wie Aluminium. Dieser Prozess ist in der Regel kostengünstiger als Warmumformung, und das Endprodukt erfordert wenig bis keine Nachbearbeitung. Manchmal wird das Metall nach der Kaltumformung in die gewünschte Form gehämmert, um Restspannungen an der Oberfläche zu entfernen. Aufgrund der Verbesserungen, die die Kaltumformung in der Festigkeit des Metalls bewirkt, können manchmal minderwertige Materialien verwendet werden, um einsatzfähige Teile herzustellen, die aus demselben Material durch Zerspanung oder Warmumformung nicht hergestellt werden könnten.
Hersteller können aus verschiedenen Gründen die Kaltumformung gegenüber der Warmumformung wählen—da kaltumgeformte Teile nur sehr wenig oder keine Nachbearbeitung erfordern, ist dieser Schritt im Fertigungsprozess oft entbehrlich, was Geld spart. Kaltumformung ist auch weniger anfällig für Kontaminationsprobleme, und das Endprodukt weist eine bessere Oberflächenqualität auf. Weitere Vorteile der Kaltumformung sind:
Einfacher, um Richtungseigenschaften zu verleihen
Verbesserte Reproduzierbarkeit
Erhöhte Maßkontrolle
Hält hohen Spannungen und hohen Druck im Werkzeug stand
Erzeugt Net-Shape- oder Near-Net-Shape-Teile
Einige mögliche Nachteile sind:
Die Metalloberflächen müssen vor dem Umformen sauber und frei von Skalierung sein
Das Metall ist weniger duktil
Restspannungen können auftreten
Schwerere und leistungsstärkere Geräte sind erforderlich
Stärkere Werkzeuge sind erforderlich
Warmumformung
Die Warmumformung findet unterhalb der Rekristallisationstemperatur, aber oberhalb der Raumtemperatur statt, um die Nachteile zu bekämpfen und die Vorteile von Warm- und Kaltumformung zu nutzen. Die Bildung von Skalierung ist weniger problematisch, und Toleranzen können enger eingehalten werden als bei der Hot-Umformung. Werkzeugkosten sind geringer, und es werden geringere Kräfte für die Herstellung benötigt im Vergleich zur Kaltumformung. Die Kaltverfestigung wird vermindert und die Duktilität im Vergleich zur Kaltbearbeitung verbessert.
Anwendungen
In der Automobilindustrie wird Umformung verwendet, um Fahrwerkskomponenten wie Umlenkhebel und Radspindeln sowie Antriebskomponenten wie Pleuelstangen und Getriebe Zahnräder herzustellen. Umformteile werden häufig für Pipeline-Ventilstiele, Gehäuse und Flansche verwendet, manchmal aus Kupferlegierungen für erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Handwerkzeuge wie Schraubenschlüssel werden in der Regel umgeformt, ebenso viele Drahtseilbefestigungen wie Steckdosen und Spanner. Umformteile werden umfangreich im Schiffbau, für Luft- und Raumfahrtkomponenten, in landwirtschaftlichen Maschinen und im Geländefahrzeugbau eingesetzt. Elektrische Übertragungskomponenten wie Aufhängungsbügel und Sockelabdeckungen verwenden Kupferlegierung-Umformteile für verbesserten Wetterschutz.
Umformstähle, die für Achsen, Pleuelstangen, Stifte usw. verwendet werden, sind typischerweise 0,30-0,40% Kohlenstoff für eine erhöhte Formbarkeit. Wärmebehandlung nach der Umformung ermöglicht es den Teilen, bessere mechanische Eigenschaften zu entwickeln als bei niedriglegiertem Stahl. Bei schweren Kurbelwellen und hochfesten Zahnrädern wird der Kohlenstoffgehalt manchmal auf 0,50% erhöht, wobei andere Legierungselemente für eine verbesserte Härtbarkeit hinzugefügt werden.
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