Scheren, Biegen, Umformen

Bei der spanenden Bearbeitung — Feilen, Bohren, Drehen — wird Material in Form von Spänen abgetragen. Beim spanlosen Arbeiten passiert das nicht. Das Blech wird entweder durchtrennt, ohne dass nennenswert Material verloren geht, oder es wird in eine neue Form gebracht, wobei das Volumen erhalten bleibt. Genau das ist mit Umformen gemeint: Die Form ändert sich, die Materialmenge nicht.

Damit eine Umformung dauerhaft hält, muss im Werkstoff etwas Bestimmtes passieren. Belastet man ein Metall leicht, verformt es sich elastisch — es federt nach dem Loslassen wieder in die Ausgangsform zurück, so wie eine Feder. Erhöht man die Belastung, wird irgendwann eine Schwelle überschritten, ab der das Material in seiner neuen Form bleibt. Diese bleibende Verformung heißt plastisch. Die Spannung, ab der das Metall vom elastischen ins plastische Verhalten kippt, ist die Streckgrenze.

Für die Werkstatt heißt das: Wer ein Blech biegt, muss es über die Streckgrenze hinaus belasten. Bleibt man darunter, springt das Teil wieder gerade. Das ist keine theoretische Feinheit, sondern der Grund, warum Biegen überhaupt funktioniert — und warum jedes gebogene Teil ein Stück weit zurückfedert (dazu später mehr).

Die einzelnen Trenn-, Umform- und Urformverfahren bilden ein eigenes großes Themengebiet mit eigener Systematik. Hier konzentrieren wir uns auf die drei Verfahren, die in der täglichen Blecharbeit am häufigsten vorkommen.

Beim Scheren wird ein Blech zwischen zwei Schneiden zertrennt, ganz ähnlich wie bei einer Haushaltsschere — nur mit deutlich mehr Kraft. Ein Obermesser drückt von oben gegen das Blech, ein Untermesser hält dagegen. Die beiden Schneiden gleiten dicht aneinander vorbei und schieben das Material so lange gegeneinander, bis es nachgibt.

Was dabei im Blech passiert, läuft in zwei Phasen ab. Zuerst drücken sich die Messer ein Stück weit ins Material — hier entsteht eine glatte, glänzende Zone, der Glattschnitt. Ab einem bestimmten Punkt hält der Werkstoff der Beanspruchung nicht mehr stand und reißt durch. Diese Bruchfläche ist rauer und etwas schräg, sie heißt Bruchzone. An jeder gescherten Kante sieht man beide Bereiche, wenn man genau hinschaut.

Wichtig für die Schnittqualität ist der Schneidspalt — der seitliche Abstand zwischen Ober- und Untermesser. Ist er richtig eingestellt (ein kleiner Bruchteil der Blechdicke), treffen sich die Risse von oben und unten sauber, und die Kante wird glatt. Ist der Spalt zu groß, wird das Blech eher verbogen und gequetscht als geschnitten; es bildet sich ein deutlicher Grat. Ist er zu klein, steigt der Verschleiß an den Messern stark an.

In der Werkstatt arbeitet man je nach Blechdicke mit unterschiedlichen Scheren: die Handhebelschere für kleine, dünne Zuschnitte, die Tafelschere für große Bleche bis zu mehreren Millimetern Dicke.

Wie groß ist die nötige Kraft?

Damit die Messer das Blech durchtrennen, müssen sie es abscheren — das Material wird parallel zur Schnittfläche so stark beansprucht, bis es versagt. Der Widerstand, den der Werkstoff diesem Abscheren entgegensetzt, ist die Scherfestigkeit. Sie ist eine eigene Festigkeitskenngröße und nicht dasselbe wie die Zugfestigkeit, die man aus dem Zugversuch kennt: Beim Zug wird das Material auseinandergezogen, beim Scheren wird es seitlich abgeschert. Für die meisten Stähle liegt die Scherfestigkeit erfahrungsgemäß bei etwa 80 % der Zugfestigkeit. Man kann sie also grob aus einer bekannten Zugfestigkeit abschätzen:

Die Kraft, die zum Scheren nötig ist, hängt von drei Dingen ab: wie dick das Blech ist, wie lang die Schnittlinie ist und wie scherfest der Werkstoff ist. Je größer die Fläche, die abgeschert werden muss, und je zäher das Material, desto mehr Kraft braucht es:

Die Schnittlänge mal Blechdicke ergibt dabei die Fläche, die durchtrennt wird. Diese Fläche mal Scherfestigkeit ist die Kraft, die das Messer aufbringen muss.

Beim Biegen wird ein Blech um eine Kante in eine neue Form gebracht, ohne es zu trennen. Damit die Biegung hält, muss der Werkstoff — wie in Kapitel 1 beschrieben — über die Streckgrenze hinaus belastet werden, also plastisch verformt werden. Bleibt man darunter, federt das Teil wieder gerade.

Was im Blech passiert: die neutrale Faser

Biegt man ein Blech, geschieht auf beiden Seiten etwas Gegensätzliches. An der Außenseite der Biegung wird das Material gedehnt — die Fasern werden länger gezogen. An der Innenseite wird es gestaucht — die Fasern werden zusammengedrückt. Irgendwo dazwischen liegt eine Schicht, die weder gedehnt noch gestaucht wird und ihre Länge behält. Diese Schicht heißt neutrale Faser.

Die neutrale Faser ist der Schlüssel zur gesamten Biegeberechnung. Denn nur ihre Länge bleibt beim Biegen unverändert — und genau diese Länge braucht man, um den richtigen Zuschnitt zu bestimmen. Bei dünnen Blechen mit großem Biegeradius liegt sie ungefähr in der Mitte der Blechdicke. Je kleiner der Biegeradius im Verhältnis zur Dicke wird, desto weiter wandert sie zur Innenseite hin. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Beanspruchung: An der eng gebogenen Außenseite ist die Zugbeanspruchung so hoch, dass das Material dort kräftig fließt — die plastische Dehnung außen fällt stärker aus als die Stauchung innen. Dadurch verschiebt sich die Mitte der verbleibenden, unverstreckten Zone nach innen. Diese Lage beschreibt man mit dem k-Faktor: Er gibt an, in welchem Anteil der Blechdicke — von innen gemessen — die neutrale Faser liegt. Ein k-Faktor von 0,5 bedeutet exakt Mitte, ein wert von 0,33 bedeutet, dass sie auf einem Drittel der Dicke von innen sitzt.

Rückfederung und Mindestbiegeradius

Zwei Effekte muss man beim Biegen im Kopf behalten. Der erste ist die Rückfederung: Weil immer auch ein elastischer Anteil mitschwingt, federt das Blech nach dem Biegen ein kleines Stück zurück. Man muss also etwas weiter biegen als der Zielwinkel, damit das Teil am Ende stimmt. Wie stark zurückgefedert wird, hängt vom Werkstoff, vom Radius und von der Dicke ab.

Der zweite ist der Mindestbiegeradius: Wird zu eng gebogen, reißt das Material an der gedehnten Außenseite ein. Jeder Werkstoff hat daher einen kleinsten zulässigen Biegeradius, der von seiner Dehnbarkeit abhängt. Spröde oder kaltverfestigte Bleche brauchen größere Radien, weiche und zähe Werkstoffe vertragen engere.

In der Werkstatt biegt man je nach Aufgabe mit der Schwenkbiegemaschine (eine Biegewange schwenkt das Blech um eine Kante) oder durch Gesenkbiegen in der Presse (ein Stempel drückt das Blech in ein V-förmiges Gesenk).

Warum der Rohling kürzer ist als die Summe der Schenkel

Das ist der Punkt, an dem in der Praxis die meisten Fehler passieren. Ein fertig gebogener Winkel mit zwei Schenkeln von je 100 mm braucht nicht 200 mm Rohlänge. Der Grund liegt in der neutralen Faser: Im Biegebereich wird das Außenmaß durch die Dehnung scheinbar „länger“, als es dem tatsächlich vorhandenen Material entspricht. Misst man das Teil außen ab und addiert die Schenkel, zählt man den Biegebereich doppelt mit.

In der Werkstatt rechnet man deshalb mit dem Ausgleichswert (auch Biegeverkürzung genannt, Formelzeichen v). Man addiert die Außenmaße der Schenkel und zieht für jede Biegung den passenden Ausgleichswert ab:

Bei mehreren Biegungen wird für jede ein eigener Ausgleichswert abgezogen. Der Ausgleichswert hängt von Blechdicke, Biegeradius und Winkel ab und steht in der Praxis meist in Tabellen für die jeweilige Maschine bereit. Physikalisch steckt dahinter genau die Länge der neutralen Faser: Statt der scharfen Außenkante zählt nur die wahre Länge des Materials im Biegebogen.

Den Bogenanteil der neutralen Faser selbst — die sogenannte Biegezugabe — kann man auch direkt berechnen. Für eine 90°-Biegung ergibt sich die Länge des neutralen Bogens aus dem Innenradius, dem k-Anteil der Dicke und dem Viertelkreis:

Ausgleichswert und Biegezugabe beschreiben dieselbe Sache aus zwei Blickwinkeln: Die Biegezugabe ist die wahre Länge im Bogen, der Ausgleichswert ist die Korrektur, die man von den Außenmaßen abziehen muss, um auf dieselbe Rohlänge zu kommen.

Scheren und Biegen sind die häufigsten Verfahren, aber nicht die einzigen, die ohne Span auskommen. Ein paar weitere begegnen einem in der Werkstatt regelmäßig.

Beim Richten wird ein verzogenes oder verbeultes Blech wieder eben gemacht — durch gezielten Druck oder Hammerschläge wird genau dort plastisch verformt, wo das Material zu lang oder zu kurz geworden ist; typisch beim Geraderichten einer verzogenen Montageplatte. Beim Sicken wird eine rinnenförmige Vertiefung ins Blech gedrückt; das versteift dünne Bleche erstaunlich stark, ähnlich wie eine Rippe — bei Lüftungskanälen werden Sicken eingebracht, um die großen Blechflächen steif und schwingungsärmer zu machen. Beim Bördeln wird ein Blechrand umgelegt, um eine scharfe Kante zu entschärfen, das Blech zu versteifen oder zwei Bleche zu verbinden — etwa am Rand eines Gehäusedeckels, damit keine scharfe Schnittkante übrig bleibt. Das Tiefziehen schließlich formt aus einem flachen Blech ein hohles Teil in einem Zug — so entstehen etwa wannenförmige Schaltschrank-Vordächer oder Gehäusewannen.

Allen Kaltumformverfahren gemeinsam ist ein Nebeneffekt: die Kaltverfestigung. Wird ein Metall bei Raumtemperatur plastisch verformt, wird es an der verformten Stelle härter und fester, gleichzeitig aber spröder. Das erklärt, warum ein mehrfach hin- und hergebogener Draht schließlich bricht — und warum stark umgeformte Bereiche einen größeren Mindestbiegeradius brauchen.