Korngröße, Teil I: Beim Blechbiegen kommt es auf die Materialkorngröße an

Bleche und Platten können außerordentlich unvorhersehbar sein, insbesondere wenn sie auf einer Abkantpresse geformt werden. Getty Images

Frage: Vielen Dank für all die tollen Informationen, die Sie jeden Monat weitergeben, einschließlich Ihrer Lehrbücher und Ihrer Kolumne. Ich hätte nie gedacht, dass ich mich so weit in die Materie wagen und tatsächlich so detaillierte Kenntnisse der Blechumformung anwenden würde. Machen Sie weiter so.

Ich weiß, dass Sie schon oft über die Faserrichtung und deren Auswirkung auf die Verformung an der Abkantpresse geschrieben haben. Warum ist die Faserrichtung auf manchen Platten leicht zu erkennen, während sie auf anderen schwer zu erkennen ist?

Und was ist der Unterschied zwischen einem Kristall und einem Korn? Wie wirkt sich die Korngröße auf die Umformbarkeit aus? Und wie kann ich den Schwankungen entgegenwirken, die beim Betrieb von Produktionsteilen mit diesen sich ändernden Merkmalen entstehen?

Antwort: Sie haben vielleicht gedacht, dass Sie schon einmal draußen im Unkraut waren, aber drehen Sie sich um und schauen Sie aus dem Fenster. Sehen Sie die Unkrautfelder, die sich bis zum Horizont erstrecken? Nun ja, dorthin gehen wir, weit draußen im Unkraut. Also, zieh deine Stiefel an. Das dürfte eine interessante Reise werden!

Bleche und Platten können außerordentlich unvorhersehbar sein, insbesondere wenn sie auf einer Abkantpresse geformt werden. Ein durch Luft geformtes Teil kann sich manchmal in alle möglichen unvorhergesehenen Richtungen verformen, und das ohne erkennbaren Grund. Mit jahrelanger Erfahrung können gute Abkantpressentechniker, die die Nuancen des Materials und ihrer Maschine kennen, diese Verformung begrenzen.

Um die besten Ergebnisse für ein Projekt zu erzielen, studieren hochqualifizierte Holzarbeiter die Maserung und die Textur des Holzes, bevor sie mit der Arbeit beginnen. Hochqualifizierte Bremsenbediener machen dasselbe mit Blech. Sie passen das Programm und die Maschine an, indem sie wissen, wie sich die Faserrichtung und andere Materialeigenschaften auf den Biegewinkel, den Biegeradius, die Biegezugabe und den Biegeabzug auswirken.

Wie Sie bald erfahren werden, hängt die Kristallgröße zu einem großen Teil vom Herstellungsprozess des Metalls ab, der wiederum die Korngröße variiert und so die Konsistenz der Biegungen im Laufe der Zeit beeinflussen kann. Wenn die Biegung beispielsweise an der Außenseite des Radius reißt, wird sie schwächer, erfordert weniger Druck zum Formen und führt zu einer Überbiegung des Flansches.

Wie die Maserung von Holz beeinflusst auch die Maserung eines Metalls das Verhalten des Stücks. Die unterschiedlichen Korneigenschaften variieren von Blatt zu Blatt und von Charge zu Charge und bringen viele unvorhergesehene Herausforderungen mit sich. Wenn das Metall kaltgewalzt oder umgeformt wurde, dehnen sich die Kristalle in Walzrichtung aus (vglAbbildung 1 ). Diese Verformung führt dazu, dass die Kristalle dünner werden und die Körner entstehen, die wir sehen. Diese neu gebildeten Körner nehmen eine Richtungspräferenz an.

Das Biegen mit der Faser (in Längsrichtung) erhöht bei manchen Materialien die Wahrscheinlichkeit von Rissen, verringert die erforderliche Tonnage, verändert die Rückfederung und führt in manchen Fällen zum Reißen. Abhängig von der Anwendung kann das Biegen in Faserrichtung auch zu Orangenhaut an der Außenseite der Biegung führen, insbesondere wenn versucht wird, einen inneren Biegeradius zu bilden, der kleiner als der Mindestradius für eine bestimmte Materialart ist. Es empfiehlt sich, den Innenbiegeradius auf oder über dem Biegeminimum zu halten, insbesondere wenn die Biegung längs (mit) der Faserrichtung verläuft. Bei der Biegelinie quer (senkrecht) oder diagonal zur Faserrichtung kann der Innenbiegeradius bei Bedarf etwas kleiner sein.

Diese und andere Variablen können die geformten Abmessungen des Teils verändern, was später zu Problemen führt. Schweißer und Monteure benötigen mehr Zeit und müssen das Teil manchmal von Hand anpassen, damit es zusammenpasst. Die Qualität der Endmontage sinkt und die Kosten steigen.

Abbildung 1Wenn Metall kaltgewalzt oder bearbeitet wird, dehnen sich die Kristalle in Walzrichtung aus.

Um die Probleme zu minimieren, müssen Bediener von Abkantpressen Materialunterschiede erkennen und lernen, mit den Abweichungen statt gegen sie zu arbeiten. Auf diese Weise ersetzen sie Kopfschmerzen durch hochwertige Teile. In den nächsten Kolumnen werden wir uns daher mit der Körnung in Metall befassen, was sie ist und woher sie kommt.

Beim Umformen dehnt sich das Blech an der Außenseite der Biegung aus und staucht an der Innenseite der Biegung. Wie gut das Metall mit der Ausdehnung und Kompression zurechtkommt (neben anderen Faktoren), bestimmt das Ausmaß der unerwarteten Verformung (sieheFigur 2).

Acht Hauptfaktoren beeinflussen die Verformung während der Blechumformung, und viele davon hängen mit der Materialkörnung zusammen. Jedes wird davon beeinflusst, wie sich das Metall verformt, was wiederum von den Eigenschaften des Metalls und seiner Reaktion auf Umformkräfte abhängt. Das Studieren, Verstehen und Beobachten dieser Faktoren ermöglicht Korrekturmaßnahmen, die die Abweichungen von Teil zu Teil reduzieren. Natürlich werden auch bei den besten Betreibern immer noch Fehler auftreten. Durch die Beachtung dieser acht Faktoren sollten Betreiber jedoch feststellen, dass Fehler abnehmen und sich die Produktqualität verbessert.

1. Kaltverfestigung. Durch plastische Verformung kommt es zu Versetzungen innerhalb der Metallstruktur, die wiederum weitere Versetzungen erzeugen. Je größer die Anzahl der Versetzungen, desto stärker interagieren sie und verankern sich. Diese Verankerung verringert die Beweglichkeit der Versetzung und stärkt gleichzeitig das Metall, ein Vorgang, der als Kaltumformung bezeichnet wird. Die Kaltumformung führt zu einer Verformung und erhöht, wenn sie mit einer Kaltverfestigung (oder Kaltverfestigung) einhergeht, die Festigkeit des Metalls. Dies geschieht, wenn die Kaltumformung der letzte Arbeitsschritt ist.

Sie können die Kaltverfestigung bis zu einem gewissen Grad steuern, indem Sie die Biegegeschwindigkeit ändern. Je langsamer der Biegevorgang erfolgt, desto größer ist die Kaltverfestigung. Umgekehrt gilt: Je schneller Sie ein Blech biegen, desto geringer ist die Kaltverfestigung im Werkstück. Natürlich erfordert das Biegen von zuvor kaltverfestigtem Material einen höheren Biegedruck.

Um diese Konzepte zu verstehen, nehmen Sie eine Büroklammer. Falten Sie es nun auseinander und biegen Sie einen Abschnitt des entfalteten Drahtes an derselben Stelle einige Male hin und her. Beachten Sie, wie schwierig es ist, das Metall mehr als einmal an derselben Stelle zu formen. Es wird von Mal zu Mal schwieriger.

Durch das Hin- und Herbiegen des Drahtes entsteht ein kaltverfestigter Bereich mit Versetzungen, die sich gebildet haben und miteinander verwickelt sind, wodurch die Festigkeit des Materials erhöht wird. Durch die Erhöhung der Festigkeit eines Materials durch Kaltumformung führt dies zu einem entsprechenden Verlust an Duktilität. Wenn Sie den Draht weiter hin und her biegen, häufen sich Versetzungsbänder, und schließlich kann der Draht reißen und brechen.

2. Härtevariation. Stahlhersteller stellen Bleche innerhalb einer Härtetoleranzzone her. Das bedeutet, dass zwei scheinbar identische Bleche völlig unterschiedliche Rückfederungseigenschaften aufweisen können – und Abkantpressenbetreiber müssen sich dessen bewusst sein.

3. Dickenvariation. Das Gleiche gilt für die Materialstärke, die innerhalb eines Toleranzbereichs angegeben wird, der einer bestimmten Materialstärke entspricht. Wenn also eine Biegeanwendung dies nicht berücksichtigt, können aus zwei scheinbar identischen Blechen völlig unterschiedliche Teile entstehen. Insbesondere bei Bemaßungen über mehrere Biegungen kommt es häufig zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Dickenschwankungen führen auch zu Veränderungen der Rückfederung.

4. Lage der Biegelinie. Ein Merkmal in der Nähe einer Biegung verändert die Art und Weise, wie sich das Metall ausdehnt, komprimiert und verformt. Um ein Ziehen und Verzerren von Merkmalen und Löchern zu vermeiden, sollte die Mittellinie der Biegung mindestens zweieinhalb bis drei Mal die Materialstärke vom Rand eines Lochs oder Merkmals entfernt sein.

Figur 2Kompression und Ausdehnung (Dehnung) beim Biegen verursachen sowohl Zug- als auch Druckspannungen und -dehnungen.

5. Umformmethode. Die üblichen Biegemethoden an der Abkantpresse sind Luftformen (oder Luftbiegen), Bodenbiegen (oder Bodenbiegen) und Prägen. Beachten Sie, dass das Durchschlagen nicht dasselbe ist wie das Prägen. Weitere Informationen hierzu finden Sie in den Bending Basics-Archiven auf thefabricator.com, einschließlich der Grand Unifying Theory of Press Brake Bending, einer Serie von September bis Dezember 2015. Unabhängig davon, ob Sie mit einer modernen Abkantpresse und Werkzeugen arbeiten In einer Präzisionsblechwerkstatt ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Sie luftbiegen.

6. Biegelänge. Die Länge der Biegung ist proportional zur Tonnage, die für die Herstellung der Biegung erforderlich ist. Eine Biegung, die zu viel Kraft pro Quadratzoll aufbringt, kann den Stößel und die Seitenrahmen der Abkantpresse durchbiegen. Wenn Sie den Stößel bis zu einem Punkt auslenken, der über der Mittellinienlastgrenze der Abkantpresse liegt, kann dies zu einer dauerhaften Beschädigung der Abkantpresse führen, die als Stößelstauchung bezeichnet wird und die Presse daran hindert, eine gerade Biegung auszuführen.

7. Faserrichtung. Während der Umwandlung von Metallbarren in Blech im Walzwerk wird das Metall zwischen einen Satz Walzen gedrückt. Durch diesen Prozess werden die Metallkristalle verlängert, wodurch die Metallkörner entstehen (dazu später mehr). Diese Körner haben beim Kaltwalzen eine Richtungspräferenz und sind bei warmgewalzten Materialien nur teilweise gerichtet.

8. Korngröße. Die Körnung des Materials beeinflusst dessen Festigkeit. Die Grenzen zwischen den Körnern wirken wie ein Hindernis für die Versetzungsbewegung. Der dadurch entstehende „Schlupf“ wird reduziert, da benachbarte Körner unterschiedliche Orientierungen haben. Je kleiner das Korn, desto kleiner ist die Distanz, die die Partikel entlang einer bestimmten Gleitebene zurücklegen, weshalb kleinere Körner die Festigkeit eines Materials verbessern. In der Mühle wird die Größe und Anzahl der Körner eines Materials durch die Erstarrungsgeschwindigkeit von flüssig zu fest gesteuert.

Nehmen Sie ein Stück Platte oder Blech, säubern Sie es, betrachten Sie die Oberfläche durch ein Mikroskop oder eine stark vergrößernde Lupe, und Sie sollten etwas wie das Bild sehen, das in gezeigt wirdFigur 3.

Sie können die Faserrichtung nicht immer erkennen, aber bei einigen Blättern benötigen Sie möglicherweise überhaupt keine Vergrößerung. Dennoch ist die Korngröße einer der wichtigsten zu berücksichtigenden Faktoren, da sie alles beeinflusst, von der Streckgrenze eines Materials bis hin zur Schwere der Rissbildung, die an der Außenfläche einer Biegung auftreten kann.

Bei der Rekristallisation verschmelzen Gruppen verschiedener Partikel zu Kristallen, die beim Kaltwalzen das bilden, was wir als Korn im Material bezeichnen. Bilden sich beim Schmelzen viele Körner gleichzeitig, erzeugt das abgekühlte Metall eine hohe Anzahl an Körnern. Wenn sich jedoch weniger Kristalle bilden, haben sie mehr Raum zum Wachsen, wodurch eine größere Korngröße und eine geringere Kornzahl entstehen.

Während der Bildung gleiten Kristalle übereinander, und zwar in Bereichen, die als Spaltungsebenen bezeichnet werden. Je fester die Kristalle miteinander verbunden sind, desto härter wird das Material. Dies erhöht die erforderliche Tonnage, um das Material auf der Abkantpresse zu formen, und macht das Metall anfälliger für Risse und Orangenhaut.

In bestimmten Bereichen der Kristallstruktur gibt es überschüssige Partikel, die nicht Teil einer symmetrischen Kristallformation sind. Diese Bereiche werden als Korngrenzen bezeichnet, sind nicht Teil der Kristallstruktur und weisen keine Spaltungsebenen auf. Dadurch werden diese Grenzen stärker (sieheFigur 4).

Figur 3Betrachten Sie die Oberfläche des Blechs durch ein Mikroskop oder eine Lupe und Sie sollten die Faserrichtung erkennen.

Die Bewegung erfolgt entlang der Spaltungsebenen der Kristalle und nicht innerhalb der Grenzbereiche zwischen ihnen. Mit kleiner werdender Korngröße nimmt die Dichte und Anzahl der Randbereiche (Korngrenzen) zu. Dies erhöht die Zahl der Grenzen, die weichen müssen, bevor eine Bewegung stattfinden kann.

Dies erklärt, warum stärkere Materialien kleinere Körner haben. Material mit größeren Körnern ist daher duktiler, schwächer und lässt sich leicht formen. Allerdings lassen sich auch kleinkörnige Materialien leicht formen, abhängig von den Eigenschaften dieser Körner und ihrer Anordnung. Wir werden nächsten Monat näher darauf eingehen.

Das ist natürlich alles nur die Spitze des Eisbergs. Aber wie Sie bisher gesehen haben, kommt es beim Biegen auf der Abkantpresse wirklich auf die Korngröße eines Materials an. Und es ist üblich, dass ein Hersteller auch die Korngröße manipuliert. Tatsächlich beeinflussen sie jedes Mal, wenn Abkantpressenbediener einen Rosenknospenbrenner in die Hand nehmen, um das Material vor dem Formen zu erwärmen, die Körnung des Materials.

Im zweiten Teil befassen wir uns detaillierter, unter anderem mit der Art und Weise, wie Material geglüht und normalisiert wird, und mit der Anwendung von Korngrößen-, Spannungs- und Dehnungsinformationen beim Formen von Abkantpressen.

Steve Benson ist Mitglied und ehemaliger Vorsitzender des Precision Sheet Metal Technology Council der Fabricators & Manufacturers Association International®. Er ist Präsident von ASMA LLC, [email protected]. Benson leitet außerdem das Precision Press Brake Certificate Program der FMA, das an Standorten im ganzen Land durchgeführt wird. Weitere Informationen finden Sie unter fmanet.org/training oder telefonisch unter 888-394-4362. Das neueste Buch des Autors, Bending Basics, ist jetzt im FMA-Buchladen fmanet.org/store erhältlich.

Figur 4 Orangenhaut kann nach starker Umformung auftreten, beispielsweise nach dem Biegen auf einen sehr spitzen Radius. Die Korngrenzen bleiben etwas geriffelt.