Das Biegen ist eines der häufigsten Verfahren in der Blechbearbeitung. Diese Methode, auch bekannt als Abkanten,anschen, Gesenkbiegen, Falten und Kanten, wird verwendet, um ein Material in eine Winkel- oder Profilform umzuwandeln.
Dies geschieht durch das Aufbringen einer Kraft auf das Werkstück. Die eingesetzte Kraft muss die Streckgrenze des Materials überschreiten, damit eine plastische Verformung erreicht wird. Erst dann entsteht eine dauerhafte Biegung.
Welche sind die gängigsten Biegeverfahren? Wie beeinflusst der Rückfederungseffekt das Biegen? Was ist der K-Faktor? Wie berechnet man die Biegezulage?
All diese Fragen werden in diesem Beitrag besprochen, ergänzt um hilfreiche Tipps zum Biegen.
Es gibt zahlreiche verschiedene Biegeverfahren, jedes mit eigenen Vorteilen. Die Entscheidung liegt meist zwischen Präzision und Einfachheit, wobei letztere häufiger angewendet wird.fache Methoden sind flexibler und erfordern weniger verschiedene Werkzeuge.
Das V-Biegen ist das am weitesten verbreitete Biegeverfahren und nutzt Stempel und Matrize. Es gibt drei Untergruppen – Bottoming, Freibiegen und Prägebiegen (Coining). Freibiegen und Bottoming machen etwa 90 % aller Biegearbeiten aus.
Die Biegekrafttabelle unten hilft Ihnen, die minimale Flanschlänge b (mm) und den Innenradius ir (mm) abhängig von der Materialdicke t (mm) zu bestimmen. Zudem sehen Sie die benötigte Matrizenbreite V (mm) für die jeweiligen Spezifikationen. Für jede Operation ist eine bestimmte Tonnage pro Meter erforderlich, was ebenfalls in der Tabelle dargestellt wird. Sie erkennen, dass dickere Materialien und kleinere Innenradien mehr Kraft benötigen. Die hervorgehobenen Optionen sind empfohlene Spezifikationen für das Biegen von Metallblechen.
Angenommen, ich habe ein 2 mm dickes Blech und möchte es biegen. Um es einfach zu halten, wähle ich ebenfalls einen Innenradius von 2 mm. Die minimale Flanschlänge beträgt laut Tabelle 8,5 mm – das muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Die Matrizenbreite beträgt 12 mm und die Tonnage pro Meter 22. Die kleinste übliche Maschinenkapazität liegt bei etwa 100 Tonnen. Bei einer Biegelinie von 3 m ergibt sich eine benötigte Gesamtkraft von 3*22=66 Tonnen. Somit reicht eine einfache Abkantbank mit genügend Arbeitslänge für 3 m völlig aus.
Wichtig ist jedoch: Diese Tabelle gilt für Baustähle mit einer Streckgrenze von ca. 400 MPa. Beim Biegen von Aluminium kann der Tonnagewert halbiert werden, da weniger Kraft benötigt wird. Bei Edelstahl hingegen ist die benötigte Kraft etwa 1,7-mal höher als in der Tabelle angegeben.
Bottoming wird auch als Tiefziehen oder Durchdrücken bezeichnet. Der Stempel presst das Blech auf die Matrizenoberfläche, sodass der Winkel der Matrize den Endwinkel des Werkstücks bestimmt. Beim Bottoming hängt der Innenradius des abgekanteten Blechs vom Radius der Matrize ab.
Da die Innenlinie komprimiert wird, ist für eine weitere Verformung mehr Kraft erforderlich. Bottoming ermöglicht es, diese Kraft aufzubringen, da der Endwinkel vorgegeben ist. Dadurch wird der Rückfederungseffekt verringert und eine hohe Genauigkeit erzielt.
Der Winkeldifferenz entspricht dem Rückfederungseffekt.
Beim Bottoming ist das Berechnen der V-Matrizenöffnung ein wichtiger Schritt.
| Methode/Dicke (mm) | 0,5…2,6 | 2,7…8 | 8,1…10 | Über 10 |
| Bottoming | 6t | 8t | 10t | 12t |
| Luftbiegen | 12…15t | |||
| Prägen | 5t | |||
Der Innenradius beträgt erfahrungsgemäß etwa 1/6 der Öffnungsbreite, also gilt: ir=V/6.
Das partielle Biegen, auch Freibiegen genannt, verdankt seinen Namen der Tatsache, dass das Werkstück nicht vollständig mit den Werkzeugen in Kontakt kommt. Das Werkstück liegt auf zwei Punkten auf, während der Stempel die Biegung ausführt. Meist wird hierfür eine Abkantpresse verwendet, ein seitliches Gesenk ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Freibiegen bietet große Flexibilität. Angenommen, Sie haben eine 90°-Matrize und einen entsprechenden Stempel. Mit dieser Methode können Sie Biegewinkel zwischen 90 und 180 Grad erzielen. Auch wenn die Genauigkeit geringer ist als beim Bottoming oder Prägebiegen, besticht das Verfahren durch seine unkomplizierte Handhabung. Sollte der Rückfederungseffekt einen zu großen Winkel verursachen, lässt sich dies einfach durch Nachsetzen beheben.
Natürlich ist die Genauigkeit geringer als beim Bottoming. Ein wichtiger Vorteil des Freibiegens besteht jedoch darin, dass für unterschiedliche Winkel kein Werkzeugwechsel erforderlich ist.
Prägebiegen war früher deutlich verbreiteter und galt als einzige Methode für exakte Ergebnisse. Heute sind Maschinen so präzise steuerbar, dass diese Methode kaum noch notwendig ist.
Das Blech erhält exakt die Form der Matrize durch sehr hohe Presskräfte.
Der Name „Coining“ stammt von der Münzprägung, bei der exakte Gleichheit erforderlich ist. Auch im Biegen liefert Coining höchste Präzision. Möchten Sie beispielsweise einen 45°-Winkel erzielen, benötigen Sie Stempel und Matrize mit exakt diesem Winkel. Ein Rückfederungseffekt ist nicht zu erwarten.
Warum? Weil die Matrize in das Blech eindringt und eine Prägung hinterlässt. Mit den hohen Kräften (etwa 5- bis 8-mal höher als beim Freibiegen) wird höchste Genauigkeit erreicht. Gleichzeitig sorgt der Prägeeffekt für einen sehr kleinen Innenradius.
U-Biegen ähnelt dem V-Biegen, jedoch sind Stempel und Matrize U-förmig, was zu einem entsprechenden Biegeradius führt. Dies ist eine einfache Methode, um beispielsweise U-Profile aus Stahl herzustellen, aber nicht sehr gebräuchlich, da solche Profile auch mit flexibleren Methoden gefertigt werden können.
Stufenbiegen, auch Bump-Bending genannt, ist im Grunde genommen wiederholtes V-Biegen. Dabei werden viele kleine Biegungen nacheinander ausgeführt, um einen großen Radius zu erzeugen. Die Qualität hängt von der Anzahl der Biegungen und dem Abstand zwischen ihnen ab – je mehr, desto glatter das Ergebnis.
Bump-Bending wird häufig eingesetzt, zum Beispiel bei konischen Trichtern oder Schneepflügen. Es ermöglicht Großradius-Biegungen mit Standardwerkzeugen. Die einfachere Einrichtung ist besonders bei Kleinserien kostengünstig.
Walzbiegen dient zur Herstellung von Rohren oder konischen Formen in verschiedenen Geometrien, kann aber auch für Großradius-Biegungen verwendet werden. Je nach Maschinenausführung und Anzahl der Walzen können mehrere Biegungen gleichzeitig durchgeführt werden.
Dabei gibt es zwei Antriebswalzen und eine verstellbare dritte Walze, die durch Reibung mitläuft. Müssen auch die Enden des Bauteils gebogen werden, ist ein zusätzlicher Arbeitsgang an einer hydraulischen Presse oder Abkantpresse erforderlich, da die Kanten sonst flach bleiben.
Das Wischbiegen, auch Kantenbiegen genannt, ist eine weitere Methode, um Blechkanten zu biegen. Wichtig ist, dass das Blech fest auf die Matrize gedrückt wird. Die Matrize bestimmt hier den Innenradius der Biegung. Das Spiel zwischen Matrize und Stempel ist entscheidend für ein gutes Ergebnis.
Eine weitere Möglichkeit, Kanten zu biegen, ist das Rotationsbiegen. Der große Vorteil gegenüber Wischbiegen oder V-Biegen: Die Materialoberfläche wird nicht zerkratzt. Spezielle Polymerwerkzeuge verhindern jegliche Werkzeugabdrücke. Mit Rotationsbiegern lassen sich zudem schärfere Winkel als 90 Grad biegen, was den Rückfederungseffekt eliminiert.
Üblicherweise werden zwei Walzen verwendet, es gibt aber auch Systeme mit einer Walze. Diese Methode eignet sich auch für U-Profile mit eng beieinanderliegenden Flanschen und ist flexibler als andere Verfahren.
Beim Biegen eines Werkstücks federt dieses nach dem Lösen der Last leicht zurück. Dies muss beim Biegen kompensiert werden, indem das Werkstück über den erforderlichen Winkel hinaus gebogen wird, sodass nach dem Rückfedern der gewünschte Winkel erreicht wird.
Ein weiterer Aspekt ist der Biegeradius: Je größer der Innenradius, desto ausgeprägter die Rückfederung. Ein scharfkantiger Stempel ergibt einen kleinen Radius und verringert die Rückfederung.
Warum tritt Rückfederung auf? Beim Biegen teilt sich das Material in zwei Schichten, getrennt durch die neutrale Faser. Auf der Innenseite wird das Material gestaucht, auf der Außenseite gestreckt. Jedes Metall hat unterschiedliche Belastungswerte für Druck und Zug. Die Druckfestigkeit ist dabei meist deutlich höher als die Zugfestigkeit.
Daher ist es schwieriger, auf der Innenseite eine dauerhafte Verformung zu erreichen. Das Resultat: Die gestauchte Schicht versucht nach dem Entlasten, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren.
Für die Konstruktion von gebogenen Blechteilen empfiehlt sich die Nutzung von CAD-Software mit Blechumgebung. Diese berücksichtigt alle Materialeigenschaften und ist unerlässlich für die Erstellung von Abwicklungen für das Laserschneiden.
Für die Abwicklung ist die Bogenlänge der neutralen Faser entscheidend.
Wenn Sie Ihre Abwicklungen selbst erstellen, beachten Sie folgendes: Beim Biegen verlängert sich das Material. Die neutrale Faser liegt daher nicht exakt in der Mitte des Materials. Die Abwicklung muss jedoch entlang der neutralen Faser konstruiert werden. Zur Bestimmung ihrer Lage wird der K-Faktor benötigt.
Der K-Faktor ist eine empirisch ermittelte Konstante, deren Wert durch Tests definiert wurde. Er variiert je nach Material, Dicke, Biegeradius und Biegeverfahren. Der K-Faktor verschiebt die neutrale Faser so, dass die Abwicklung der Realität entspricht. Damit berechnet man die Biegezulage, also die Länge des gebogenen neutralen Bogens.
Formel für den K-Faktor:
k – K-Faktor, Konstante; ir – Innenradius (mm); t – Blechdicke (mm)
Formeln für die Biegezulage:
Für Biegungen zwischen 0 und 90 Grad gilt folgende Formel:
ß – Biegewinkel (°)
Für Biegungen zwischen 90 und 165 Grad:
Für Biegungen über 165° ist keine Berechnung der Biegezulage notwendig, da die neutrale Faser nahezu in der Mitte des Werkstücks verbleibt.
Nehmen wir an, Sie haben ein ähnliches Teil wie im obigen Bild – ein Schenkel mit 20 mm, der andere mit 70 mm, Biegewinkel 90°, Blechdicke 5 mm und Innenradius 6 mm. Wir möchten die Endlänge wissen. Zunächst bestimmen wir den K-Faktor:
Eine weitere Methode ist die „Faustregel“: Wählen Sie einfach nachfolgend aus der Tabelle den K-Faktor passend zum Material, das reicht in den meisten Fällen aus.
| Generische K-Faktoren | Radius | Aluminium | Stahl | |
|---|---|---|---|---|
| Weiche Materialien | Mittlere Materialien | Harte Materialien | ||
| Luftbiegen (Air Bending) | 0 bis Dicke | 0.33 | 0.38 | 0.40 |
| Dicke bis 3 x Dicke | 0.40 | 0.43 | 0.45 | |
| Größer als 3 x Dicke | 0.50 | 0.50 | 0.50 | |
| Prägen (Bottoming) | 0 bis Dicke | 0.42 | 0.44 | 0.46 |
| Dicke bis 3 x Dicke | 0.46 | 0.47 | 0.48 | |
| Größer als 3 x Dicke | 0.50 | 0.50 | 0.50 | |
| Münzprägung (Coining) | 0 bis Dicke | 0.38 | 0.41 | 0.44 |
| Dicke bis 3 x Dicke | 0.44 | 0.46 | 0.47 | |
| Größer als 3 x Dicke | 0.50 | 0.50 | 0.50 | |
Nun berechnen wir die Biegezulage:
Für die Endlänge addieren Sie einfach die Längen der beiden Schenkel zur Biegezulage:
Ich habe unseren erfahrenen Vertriebsingenieur befragt, der sich bestens mit dem Biegen von Blechen auskennt. Er war begeistert, seine Erfahrungen zu teilen, und stellte eine Liste typischer Fehler und deren Lösungen zusammen.
Wie bereits erwähnt, gibt es eine minimale Flanschlänge. Die Biegekrafttabelle hilft Ihnen weiter. Je nach Materialdicke wird die Matrizenbreite gewählt. Ist der Flansch zu kurz, fällt er in die Matrizenöffnung und Sie erhalten kein zufriedenstellendes Ergebnis.
Die Fase muss vor der Basis des Bauteils enden.
Auch bei Flanschen mit ein- oder beidseitigen Fasen gilt die Mindestlänge. Fasen dürfen nicht zu weit gehen, ansonsten ist ein sauberes Biegen nicht möglich und das Teil sieht deformiert aus.
Nahe Biege-Positionen können Löcher verformen.
Sind Löcher zu nah an der Biegelinie, können sie sich verformen. Runde Löcher sind weniger problematisch, aber Schrauben könnten trotzdem nicht passen. Berücksichtigen Sie die Mindestflanschmaße aus der Biegetabelle und platzieren Sie die Löcher weiter entfernt.
Zur Vermeidung von Fehlern kann die rechteckige Bohrung auf beiden Seiten angebracht werden.
Bauteile, die fast symmetrisch sind, bergen das Risiko, dass der Maschinenbediener sie falsch einlegt. Fertigen Sie, wenn möglich, wirklich symmetrische Teile oder sorgen Sie für eine eindeutige Unterscheidbarkeit.
Symmetrie ist nicht immer möglich, aber dann sollten die Fertigungsanforderungen klar erkennbar sein.
Nietmutter im Weg des Werkzeugs
Wenn Sie Nietmuttern in der Nähe der Biegelinie einsetzen, empfiehlt es sich, sie vor dem Biegen einzusetzen. Nach dem Biegen können die Bohrungen deformiert sein. Achten Sie trotzdem darauf, dass die Muttern nicht im Weg der Werkzeuge liegen.
Ein kleiner Flansch an einem großen Bauteil kann Probleme verursachen.
Vermeiden Sie kleine Flansche an großen und schweren Teilen. Die Fertigung wird dadurch kompliziert und erfordert oft Handarbeit, was die Kosten erhöht. Überlegen Sie sich alternative Lösungen.
Siehe Biegetabelle für Mindestflanschlänge
Bei mehreren aufeinanderfolgenden Biegungen prüfen Sie, ob das Teil in die Matrize passt. Bei U-Biegungen gilt: Der Mittelteil sollte länger sein als die Flansche.
Mehrfache Nachjustierung ist nötig
Bei mehreren aufeinanderfolgenden Flanschen empfiehlt es sich, die Biegelinien auf einer Linie zu halten. So reduzieren Sie die Anzahl der Arbeitsgänge. Andernfalls muss der Bediener für jede Biegung neu positionieren, was Zeit und Kosten verursacht.
Solche Biegelinien führen zu ungenauen Ergebnissen
Die Biegelinie sollte eine parallele Bezugskante haben, um das Teil exakt zu positionieren. Fehlt diese, ist das Ausrichten mühsam und das Ergebnis leidet.
Biegeaussparungen sind wichtig
Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, sollten Sie einen echten Ausschnitt an den Seiten des Flansches vorsehen – eine sogenannte Biegeaussparung. Die Breite sollte größer als die Materialdicke sein, um Risse und Verformungen zu vermeiden. Kleine Radien an den Aussparungen helfen zusätzlich, Spannungen abzubauen.
Kleine Abstände machen die Fertigung möglich
Beim Biegen einer Box sollten kleine Lücken zwischen den Flanschen bleiben. Andernfalls kann der letzte Biegevorgang auf bereits gebogene Flansche treffen und das Bauteil beschädigen.
Schalten Sie regelmäßig in Ihrer CAD-Software auf die Abwicklungsansicht um. Das hat viele Vorteile: Sie vermeiden, dass zu viele Flansche eine nicht abwickelbare Geometrie erzeugen. Was nicht abwickelbar ist, ist auch nicht herstellbar.
Messen Sie Ihr Layout aus. Eventuell lässt sich das Design optimieren, um Material zu sparen oder mehrere Teile auf einem Blech unterzubringen, was Kosten spart.
Halten Sie es einfach: Der Innenradius (ir) sollte mindestens der Materialdicke entsprechen. So vermeiden Sie spätere Probleme. Ein kleinerer Radius kann Schwierigkeiten bereiten, ein größerer erschwert lediglich manche Berechnungen.
Biegen quer zur Walzrichtung
Vermeiden Sie Biegungen in Walzrichtung, besonders bei Aluminium und Hardox. Dies kann zu ungleichmäßigen Oberflächen oder sogar zu Rissen führen. Auch wenn sich nicht jedes Gehäuse so konstruieren lässt, ist es sinnvoll, darauf zu achten.
Auch Fertigungsingenieure haben dies im Blick, aber es lohnt sich, selbst darauf zu achten – auch im Hinblick auf den Materialverbrauch.
Lassen Sie, wenn möglich, einen Innenradius stehen
Zum Verstärken von Blechkanten ist das Bördeln ideal. Es empfiehlt sich, einen kleinen Innenradius zu lassen, anstatt den Radius komplett zu zerdrücken. Das verringert die Gefahr von Rissen und senkt den Kraftaufwand.
Die gängigen dünnen 1…3 mm starken Stahlbleche sind unkompliziert zu bearbeiten. Bei dickeren oder speziellen Materialien sollten Sie sich genauer informieren. Manche Materialien stellen besondere Anforderungen. Ein gutes Ergebnis hängt sowohl von Ihrem Wissen als auch von der Unterstützung durch Ihre Fertigungsingenieure ab.
