Warmumformung als Verfahren der Umformtechnik (DIN 8582)

1. Was ist Warmumformung?
2. Grundlagen der Warmumformung
3. Überblick über die Verfahren der Warmumformung und deren Einsatzgebiete
4. Implementierung und Kosten der Warmumformung

Was ist Warmumformung?

Wer schon einmal Kerzenwachs in der Hand erwärmt hat weiß, dass das zuvor harte und spröde Wachs durch die Körperwärme schon nach kurzer Zeit weich wird. So lässt es sich nahezu ohne Kraftaufwand beispielsweise zu einer Kugel formen. Zwar ist die chemische Bindung der Atome innerhalb des Kerzenwaches eine andere als die innerhalb von Metallen, doch ist der Grundgedanke analog: Durch eine Temperaturerhöhung des Werkstoffes lässt dieser sich mit geringerem Kraftaufwand verformen beziehungsweise gezielt formen und somit umformen.

Wie im Bereich des Maschinenbaus üblich ist auch die Umformtechnik nach DIN genormt. Allgemein wird die Umformung von Werkstoffen nach dem Temperaturbereich beziehungsweise der konkreten Umformtemperatur klassifiziert. So wird nach DIN 8582 zwischen Kaltumformung, Halbwarmumformung und Warmumformung unterschieden. Besonders hochbelastete Bauteile, wie beispielsweise Kurbelwellen, werden bevorzugt mittels Schmieden warmumgeformt. Die Warmumformung ermöglicht es, selbst hochfeste Materialien effizient umzuformen.

Grundlagen der Warmumformung

Wie bereits einleitend erwähnt, besteht ein Zusammenhang zwischen der zur Umformung notwendigen Kraft und der Temperatur des Bauteils. Der Widerstand, den ein Werkstoff seiner Formänderung entgegensetzt, ist allerdings nicht nur abhängig von seiner Temperatur, sondern unter anderem auch von der Umformgeschwindigkeit, von seinen Legierungselementen und insgesamt von der Gefügestruktur. Die Festigkeit kann beispielsweise im Zugversuch oder im Stauchversuch als Kraft-Weg-Verlauf ermittelt werden und ergibt nach Normierung auf die sich verändernde Probenfläche und Messbereichslänge einen charakteristischen Verlauf der Spannung in Abhängigkeit von der Dehnung. Wird die Dehnung logarithmisch und die zur Dehnung korrespondierende Probenquerschnittsfläche zu jedem Zeitpunkt betrachtet, erhält man die sogenannte Fließkurve (siehe Bild 1). Diese beschreibt den funktionalen Zusammenhang von Fließspannung bezogen auf den Umformgrad.

Es zeigt sich, dass zusätzlich zur Temperatur auch Umformgrad und Umformgeschwindigkeit einen Einfluss auf die Fließspannung besitzen (siehe Bild 2).

Für einen bestimmten Werkstoff lässt sich somit eine Kurvenschar an Fließkurven ermitteln (siehe Bild 3).

Eine Umformung über Rekristallisationstemperatur, welche abhängig von den Legierungselementen meist bei 40 bis 60 Prozent der Schmelztemperatur liegt, wird als Warmumformung bezeichnet. Prozesse in der Warmumformung zeichnen sich durch geringe Umformkräfte und ein höheres Formänderungsvermögen aus. Eine Verfestigung des Werkstoffes findet durch die ständige Rekristallisation nicht statt. Ist jedoch die Umformgeschwindigkeit höher als die Rekristallisationsgeschwindigkeit, steigt die Fließspannung an.

Nachteilig bei der Warmumformung mit Stahlwerkstoffen ist jedoch die erhöhte Zunderbildung und der mögliche Bauteilverzug aufgrund starker Temperaturgradienten. Gegenüber der Kaltumformung ist die Oberflächenqualität des warmumgeformten Bauteils deutlich schlechter und erfordert häufig eine Nachbearbeitung (Sonderfall: Präzisionsschmieden).

Die wichtigsten Vorteile und Nachteile der Warmumformung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Vorteile:

• Geringe Umformkräfte
• Hohe Umformbarkeit
• Keine Verfestigung

Nachteile:

• Höhere Zunderbildung
• Bauteilverzug möglich

Überblick über die Verfahren der Warmumformung und deren Einsatzgebiete

Einsatz findet die Warmumformung vorrangig bei der Herstellung von hochbelasteten Bauteilen, wie beispielsweise (Kurbel-)Wellen, Pleuel, Zylinder oder Zahnrädern. Das bei der Massivumformung eingesetzte Umformverfahren ist in der Regel das Schmieden, wahlweise mit oder ohne Gesenk. Die Umformung wird hierbei in mehreren Schritten durchgeführt, da das Umformvermögen begrenzt ist und auftretender Grat berücksichtigt werden muss (Sonderfall: Präzisionsschmieden). Bild 4 zeigt beispielhaft eine Stadienfolge zum Schmieden einer Zwei-Zylinder-Kurbelwelle.

Warmumformung findet zum Teil auch bei der Blechumformung Anwendung. Im Rahmen des Press- oder Formhärtens werden Mangan-Bor-Stähle als Blech warm oberhalb der Austenitisierungstemperatur umgeformt und anschließend im Werkzeug wärmebehandelt. Dies ermöglicht eine gezielte Gefügeumwandlung zur Festigkeitssteigerung durch martensitische Härtung.

Insbesondere beim Tiefziehen kann zwischen direkter und indirekter Warmumformung differenziert werden (siehe Bild 5). So wird das Bauteil bei der direkten Warmumformung bereits vor dem ersten Umformschritt erwärmt. Bei der indirekten Warmumformung erfolgt die Erwärmung über Rekristallisationstemperatur als Zwischenschritt nach einer Primärumformung. Dies ermöglicht höhere Umformgrade bei weniger Bauteilverzug.

Implementierung und Kosten der Warmumformung

Inwieweit ein Prozess durch eine Erhöhung der Umformtemperatur verbessert werden kann, hängt von einer Vielzahl von Prozessparametern ab. Der eingesparten Umformenergie stehen Kosten im Bereich der Werkstückerwärmung (Heizenergie und Heizsystem) gegenüber. Darüber hinaus muss das Material sich für das angestrebte Temperaturfenster eignen (Gefügestruktur) und handhabbar sein (manuelle Handhabung oder automatisierte Handhabung durch Roboter). Vollautomatisierte Fertigungsanlagen im Bereich der Warmumformung stellen eine besondere Anforderung an Taktzeiten, Bauteiltransferzeiten und Berührzeiten, um eine zu schnelle Auskühlung oder ungleichmäßige Temperaturverteilung zu vermeiden. Die Werkzeugbelastung ist bei der Warmumformung deutlich höher als bei der Kaltumformung. So lassen sich 90 Prozent weniger Teile mittels Warmformung herstellen, bevor das Werkzeug seine Standmengengrenze erreicht hat. Insbesondere der Schmierung der Werkzeuge kommt eine hohe Bedeutung zu.

Welches Potential eine Optimierung von Umformprozessen bringt, muss im Detail analysiert werden. Daraus lassen sich Lösungen für Warmumformung ableiten, die entweder intern gelöst oder als externe Dienstleistung vergeben werden können. Am Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) wurden in der Vergangenheit und werden aktuell durch Experten eine Vielzahl an Forschungsprojekten zum Thema Warmumformung bearbeitet. Fragestellungen der Prozessoptimierung und Prozessgestaltung sowie der Umsetzung der Warmumformung sind hierbei ein im Detail betrachteter Themenbereich. Als erfahrener Anbieter im Bereich der Warmumformung greift das IPH dabei auf umfangreiche Kompetenz, Know-How, Instrumente und eine systematische Vorgehensweise zurück. Bei Prozessanalysen und Optimierungen kann das IPH durch technologische Beratung zur Seite stehen, um Prozesspotentiale sowie die Vorteile und den Nutzen der Warmumformung optimal auszuschöpfen.

Weitere Informationen zu den Beratungsleistungen des IPH finden Sie hier.