Kapitel 8: Produktgeometrie und Umformstufen
Auf der Kaltfließpresse tritt häufig folgende Situation auf:
Mit derselben Werkstoffsorte und denselben Abmessungen läuft die Produktion von normalen Schrauben reibungslos; wechselt man jedoch zu Produkten mit großen Köpfen, dünnen Flanschen, tiefen Bohrungen oder mehreren Stufen, treten Füllungsmängel, Faltenbildung, Exzentrizität oder sogar Risse auf.
Die erste Reaktion vieler ist dann oft: Ist etwa diese Materialcharge nicht geeignet?
Tatsächlich hat sich der Werkstoff nicht verändert; verändert hat sich vielmehr die Anforderung an das Material, „wie“ es sich bewegen soll.
Beim Kaltfließpressen wird der Stahl nicht einfach verkürzt, sondern das vorhandene Material entsprechend der Produktgeometrie neu verteilt.
In diesem Kapitel gehen wir zunächst nicht auf Werkstoffe, Beschichtungen oder Maschinen ein, sondern betrachten nur, wie sich die Produktgeometrie und die Umformstufen auf die Materialströmung auswirken.
Schematische Darstellung eines Mehrstationen-Umformprozesses: Jede Station übernimmt nur einen Teil des Materialtransfers.
I. Wohin fließt das Material beim Kaltfließpressen?
Während des Kaltfließpressvorgangs nimmt das Material weder plötzlich zu noch verschwindet es scheinbar; es fließt lediglich von einer Position zur anderen.
Das im Kopf zusätzlich benötigte Material stammt aus dem ursprünglichen Schaftbereich; vergrößert sich der Flanschdurchmesser, muss sich das Material vom Zentrum nach außen verteilen; bei Produkten mit Innenbohrung muss das Material zudem den Stoßstab umströmen und sich rund um die Bohrung neu anordnen.
Man kann das Kaltfließpressen als eine Art Routenplanung für das Material verstehen:
Welcher Teil strömt nach vorn?
Welcher Teil strömt nach außen?
An welcher Stelle erfolgt die Verformung zuerst?
An welcher Stelle wird später geformt?
Erfolgt die Umformung in einem Durchgang oder wird sie auf mehrere Stationen verteilt?
Je direkter die Route und je sanfter die Änderungen, desto gleichmäßiger lässt sich das Material formen; je länger die Route und je schärfer die Kurven, desto leichter treten lokale Unregelmäßigkeiten auf.
II. Welche Produktgeometrien stellen besondere Anforderungen an die Materialströmung?
1. Großer Kopf, dünner Schaft
Je größer das Kopfvolumen, desto mehr Material muss aus dem Schaftbereich herangeführt werden.
Wird allzu viel Material auf einmal zum Kopf geleitet, kann es passieren, dass der Mittelbereich bereits überfüllt ist, während sich das Material am Rand noch nicht gleichmäßig ausgebreitet hat; dies führt letztlich zu unzureichender Füllung, lokaler Faltenbildung oder Rissen am Rand.
2. Großer Flanschdurchmesser bei sehr geringer Dicke
Dünne Flansche scheinen wenig Material zu beanspruchen, sind jedoch in der Umformung äußerst anspruchsvoll.
Das Material muss über eine längere Strecke nach außen strömen und dabei zugleich eine gleichmäßige Flanschdicke gewährleisten. Die Strömung im Zentralbereich und am Rand erfolgt nicht synchron, wodurch der Rand häufig zur Schwachstelle wird.
Daher darf man bei Produkten mit großem Flansch nicht allein auf den Enddurchmesser achten, sondern muss auch berücksichtigen, wie das Material schrittweise bis an den Rand geführt wird.
3. Plötzliche Stufenänderungen, zu steile Übergänge
Geht das Produkt von einem großen Durchmesser abrupt auf einen kleineren über, oder fehlen zwischen benachbarten Abschnitten sanfte Übergänge, gerät das Material sozusagen in eine scharfe Kurve.
Ein Teil des Materials wird abgebremst, während der andere Teil weiter voranschreitet; an der Grenzfläche können sich dadurch Materialanhäufungen, Falten oder ungleichmäßige Verformungen bilden.
4. Tiefe Bohrungen, schlanke Löcher oder dünnwandige Strukturen
Beim Ausstanzen einer Innenbohrung verschwindet das Material nicht; vielmehr wird es vom Stoßstab nach außen gedrückt.
Je tiefer die Bohrung und je dünner die Wand, desto höher sind die Anforderungen an die Materialverteilung. Werden diese Voraussetzungen in der vorhergehenden Umformstufe nicht sorgfältig geschaffen und erfolgt die weitere Umformung unter Druck, kommt es leicht zu ungleichmäßiger Wandstärke, versetzten Bohrungen oder lokalen Schäden.
III. Warum kann nicht alles in einem einzigen Arbeitsgang fertiggestellt werden?
Einfache Produkte lassen sich in einem Schritt formen, weil die Materialbewegung nur über kurze Distanzen erfolgt und die Fließrichtung relativ einheitlich ist.
Will man bei komplexen Produkten ebenfalls „in einem einzigen Arbeitsschritt“ fertigen, gleicht dies dem Versuch, viele Fahrzeuge gleichzeitig durch eine sehr enge Kreuzung zu leiten: Zwar ist das Ziel klar, doch fehlt es dazwischen an ausreichendem Platz für eine sinnvolle Verkehrslenkung.
Der Wert der mehrstufigen Kaltfließformtechnik besteht darin, eine allzu große Umformung auf mehrere Stufen aufzuteilen:
Die vorgeschalteten Stationen bereiten die Werkstücke in geeigneter Vorform vor;
die mittleren Stationen lenken den Materialfluss gezielt in die gewünschten Bereiche;
die nachgeschalteten Stationen erledigen schließlich die Endmaße, Konturen sowie die Feinheiten.
Zum Beispiel lässt sich bei einem Großflanschteil zunächst ein dickerer, kleinerer Vorformkopf ausbilden, anschließend wird dieser allmählich nach außen ausgebreitet, bevor schließlich die endgültige Flanschabmessung erreicht wird.
Dabei geht es nicht einfach darum, beliebig viele Stationen hinzuzufügen, sondern vielmehr darum, dass jede Station nur eine Hauptaufgabe übernimmt.
Aktuelle Aufnahme einer mehrstufigen Kaltfließformmaschine: Das Produkt entsteht schrittweise an den einzelnen Stationen.
IV. Sind möglichst viele Stationen immer von Vorteil?
Auch das nicht.
Bei einer ungünstigen Anordnung der Arbeitsgänge könnte das Material in der vorhergehenden Stufe nach außen fließen, während es in der nächsten Stufe wieder nach innen gedrückt wird; gerade erst entstandene Bereiche würden erneut stark verformt, was die Umformung noch stärker konzentriert.
Um zu beurteilen, ob die Abfolge der Arbeitsgänge sinnvoll ist, können folgende drei Fragen hilfreich sein:
Wohin fließt das Material hauptsächlich in jedem einzelnen Schritt?
Sind die Fließrichtungen benachbarter Schritte nahtlos ineinander übergehend?
Übernimmt etwa eine bestimmte Stufe plötzlich den Großteil der Formänderungen?
Ein guter Umformweg führt das Material schrittweise näher an die Endform heran, statt die Richtung mehrfach zu wechseln.
V. Warum verhält sich das gleiche Material je nach Produkt unterschiedlich?
Das Material selbst bietet lediglich die Fähigkeit zur Umformung; wie diese genutzt wird, hängt vielmehr vom Aufbau des jeweiligen Produkts ab.
Einfache Schrauben erfordern nur eine moderate Umformung, sodass das Material hier noch über einen großen Reservewert verfügt; wechselt man jedoch zu Bauteilen mit großem Kopf, dünnem Flansch, tiefen Bohrungen oder komplexen Stufen, nähert sich das gleiche Material unter Umständen bereits den Grenzen der aktuellen Umformtechnologie.
Daher gilt:
Die reibungslose Produktion einfacher Produkte beweist nicht zwangsläufig, dass auch komplexe Produkte problemlos herstellbar sind;
bei Unregelmäßigkeiten bei komplexen Produkten darf das Material nicht vorschnell als unzureichend eingestuft werden;
Material, Produktstruktur und Umformweg müssen stets gemeinsam betrachtet werden.
6. Wie sollte vor Ort vorgegangen werden, um Probleme zu diagnostizieren?
Stellen Sie nicht nur das gerissene Endprodukt am letzten Arbeitsplatz ins Zentrum Ihrer Aufmerksamkeit.
Effektiver ist es, die Proben aller einzelnen Arbeitsplätze nacheinander auszulegen und sie miteinander zu vergleichen:
An welchem Arbeitsplatz tritt die Anomalie zum ersten Mal auf?
Bei welcher Bearbeitungsstufe sind die Änderungen des Durchmessers oder der Höhe am deutlichsten?
Sammelt sich das Material an einer bestimmten Stelle plötzlich an?
Bilden sich Flansch, Kopf oder Lochwand schrittweise aus?
Ändert sich die Position der Anomalie, wenn die Form des Vorformlings angepasst wird?
Wenn bereits in den ersten Arbeitsplätzen eine ungleichmäßige Materialflusslage erkennbar ist, vergrößert die letzte Matrize das Problem häufig lediglich und macht es sichtbar.
In solchen Fällen lässt sich das Problem oft nicht wirklich lösen, indem man lediglich das Material wechselt oder die letzte Matrize wiederholt nacharbeitet; vielmehr sollte geprüft werden, ob die Materialverteilung in den vorhergehenden Schritten angemessen ist.
Die Sicht des Ingenieurs
Das Konstruktionszeichnung gibt vor, wie das Endprodukt letztlich aussehen soll, während die Proben der einzelnen Umformstufen zeigen, auf welchem Weg das Material dorthin gelangt ist.
Die Materialfähigkeit bildet die Grundlage: Die Produktgeometrie bestimmt das Ziel, während die Umformprozessschritte festlegen, welchen Weg das Material bis zum Ziel nimmt.
Kapitel 8 lässt sich mit einem Satz zusammenfassen:
Ob ein Werkstoff sich gut kalt fließschmieden lässt, hängt nicht allein vom Material selbst ab, sondern auch davon, wohin das Produkt den Materialfluss lenkt und in wie vielen Schritten dieser erfolgt.
Bei der Beurteilung der Eignung eines Kaltfließschmiedewerkstoffs prüft die Creation Group Gruppe nicht nur Werkstoffnummer, Spezifikation und Prüfdaten, sondern berücksichtigt zusätzlich die Konstruktionszeichnung, den Rohmaterialdurchmesser, die Anzahl der Arbeitsplätze sowie die Proben aller Umformstufen.
Wenn Sie ebenfalls damit konfrontiert sind, dass „dasselbe Material bei einfachen Produkten gut fließschmiedbar ist, beim Wechsel zu einer anderen Geometrie jedoch Probleme auftreten“, können Sie mir gerne die Konstruktionszeichnung, die Materialspezifikationen, die Proben der Umformstufen sowie die betroffenen Bereiche zusenden. Ich werde zunächst prüfen, ob die Ursache in einer unzureichenden Materialfähigkeit liegt oder ob sich die Verformung auf ungeeignete Arbeitsplätze konzentriert hat.
Vorschau auf die nächste Folge
Kapitel 9: „Warum unterscheidet sich das Ergebnis trotz gleicher Materialien und Werkzeuge, wenn eine andere Maschine eingesetzt wird?“
In diesem Kapitel geht es vor allem darum, wie sich die Steifigkeit der Maschine, die Koaxialität, die Schmiermittelversorgung sowie das thermische Gleichgewicht im Dauerbetrieb auf den tatsächlichen Prozessfensterbereich auswirken.