Allgemeines

Unter Zug-Druck-Umformen versteht man das Umformen eines festen Körpers, bei der der plastische Zustand durch eine zusammengesetzte Zug- und Druckbeanspruchung herbeigeführt wird. Das Zug-Druck-Umformen wird laut DIN 8584 in fünf Untergruppen geteilt:

Tiefziehen ist ein Zug-Druck-Umformen eines flachen Blechzuschnittes zu einem topfartigen Hohlkörper bzw. von einem Hohlkörper zu einem anderen Hohlkörper mit kleinerem Umfang. Dabei soll die Blechdicke möglichst konstant bleiben. Der Blechzuschnitt wird häufig Platine (eckige) oder Ronde (runde Hohlteile) genannt. Hergestellt werden Blechteile wie Hülsen, Töpfe, Gefäße, Wannen, Karosserieteile, verschiedenste Dosen usw.

Werkstoffe

Als Tiefziehwerkstoffe eignen sich unlegierte Fein- und Feinstbleche mit hoher Bruchdehnung (ÖNORM M3124). Kohlenstoffanteil 0,1%, wenig Phosphor und Schwefel (0,025 - 0,04 %). Feinstbleche sind Bleche unter 0,5 mm Dicke.

Schmierung

Durch die Schmierung wird der Ausschußanteil verringert. In vielen Fällen wird der Ziehvorgang erst durch das Schmiermittel ermöglicht. Das Schmieren ist wichtig, da es die auftretende Reibung herabsetzt und dadurch ein Reißen der Werkstücke verhindert (Bodenreißer).

Werkzeuge mit feiner Oberfläche (hart verchromt, Hartmetall, geschliffen, ) benötigen weniger Schmiermittel. Der Schmierstoffbedarf steigt jedoch, bei unregelmäßiger Ziehformen und hoher Ziehgeschwindigkeit. Der Schmierstoff ist primär abhängig vom Platinenwerkstoff: Verwendet werden Talg, Mineralöle, Graphit, MoS₂, Die beste Mischung kann jedoch nur empirisch ermittelt werden.

Werkzeugaufbau

Das Tiefziehwerkzeug besteht aus dem Ziehstempel (1), falls erforderlich dem Niederhalter (2), der Matrizenaufnahme (3), der Ziehmatrize (4) und der Grundplatte (5).

Abbildung 1: Aufbau von Tiefziehwerkzeugen

Tiefziehvorgang

Die Platine wird in die Aufnahme eingelegt und durch den Niederhalter, wenn vorhanden, niedergespannt. Die Niederspannkraft muß so bemessen sein, daß die Platine durch den Ziehstempel herausgezogen werden kann, ohne durch die Zieh- und Niederhaltekräfte zu reißen. Das gezogene Werkstück wird dann durch den Ausstoßer noch oben ausgestoßen oder am Ziehring abgestreift.

Werkstofffluß beim Tiefziehen

Abbildung 2: Werkstofffluß beim Tiefziehen

Die Teile a des Kreisringes werden aufgeklappt, wodurch sich eine Höhe h'=R-r ergibt, die jedoch geringer als die gewünschte Höhe h ist. Der überschüssige Werkstoff (Teile b des Kreisringes) werden gestaucht (Druckumformung) und dient zur Vergrößerung der Ziehhöhe h' auf h (Zugumformung).

Diese Werkstoffstreckung erfordert eine Materialwanderung, welche nur möglich ist wenn die Umformungkräfte über der Fließgrenze des Werkstoffs liegen. Durch die Druckkräfte kommt es bei zur Faltenbildung bei dünnen Blechen.

Größen beim Tiefziehen

d Stempeldurchmesser, D Platinendurchmesser, s Platinendicke

p Ziehspalt, R Ziehkantenradius

Abbildung 3: Abmessungen am Tiefziehwerkzeug

Zuschnittermittlung

Für die Bestimmung der Platinengröße gilt: Platinengewicht = Produktgewicht

Wird nun angenommen, daß die Blechdicke konstant bleibt, ergibt sich folgende Vereinfachung: Platinenfläche = Produktoberfläche.

Der Zuschnitt wird nur bei einfachen und regelmäßigen Ziehteilen errechnet, die endgültige Form und Größe des Zuschnitts wird meist empirisch bestimmt.

Ziehverhältnis (m)

Das Ziehverhältnis d / D (d Stempeldurchmesser, D Durchmesser der Platine) gibt den Grad der Verformung an, es ist abhängig vom Werkstoff und der Blechdicke. Das Ziehverhältnis beim ersten Zug beträgt etwa 0,5 - 0,6. Wird das minimale Ziehverhältnis unterschritten, muß die Werkstückendform in mehreren Stufen (Stufenzug) erreicht werden. Dabei tritt aber eine Kaltverfestigung ein. Um weiter bearbeiten zu können, ist Zwischenglühen erforderlich (Rekristalisationsglühen oder Weichglühen)

Abbildung 4: Tiefziehen in meheren Stufen (bei großen Tiefziehverhältnissen)

Ziehgeschwindigkeit und -kraft

Die Ziehkraft, ist notwendig um die Platine zum Produkt zu verformen. Sie ist abhängig von der Ziehkantenlänge, der Dicke und Festigkeit des Blechs, vom Ziehverhältnis und von der Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug. Die Reibung hängt hauptsächlich von der Größe des Ziehspalts ab und wird zusätzlich von den Oberflächenqualitäten und der Schmierung beeinflußt.

Die Ziehgeschwindigkeit ist im allgemeinen nicht sehr entscheidend, nur bei Blechen die hart oder spröde sind (z.B. rostfreier Stahl), muß langsam gezogen werden. Wichtiger als die Ziehgeschwindigkeit ist die richtige Wahl der Niederhaltekraft.

Niederhaltekraft

Bei zu hohen Niederhaltedrücken wird die Platine beim Einziehen zu stark gebremst und reißt an der Ziehkante. Ist der Niederhaltedruck zu gering neigt das Blech, aufgrund der Druckkräfte beim Tiefziehen, zur Faltenbildung. Falten treten besonders bei dünnen Blechen, hohen Ziehhöhen und wenn der Ziehspalt zu breit ist auf. Der Niederhaltedruck wird während des Ziehvorgangs größer, da die Niederhaltekraft auf einer kleineren Werkstückoberfläche wirkt (p = F / A).

Ziehspalt (p)

Der Ziehspalt beträgt das 1,1 bis 1,4fache der Blechdicke. Beeinflußt wird von den Genauigkeitsanforderungen, der Oberflächenqualität und dem Platinenwerkstoff.

Ziehkantenradius (R)

Der Ziehradius gilt beim Ziehstempel und bei der Ziehmatrize.

Er ist von der Blechdicke und dem Ziehverhältnis abhängig. Kleinere Ziehradien bringen glattere Oberflächen (aufgrund höherer Reibung), doch vergrößert sich damit auch die Blechbeanspruchung. Bei zu großen Radien erhöht sich die Gefahr der Faltenbildung.

Der Radius darf nie kleiner als das 0,6fache der Blechdicke gewählt werden (zu hohe Rißgefahr).

Tiefziehverfahren

Tiefziehen mit starren Werkzeugen

Ist Tiefziehen mit starrem Stempel und starrer Matrize. Dabei kann die Werkstückendform im Erstzug oder im Weiterzug erreicht werden.

Tiefziehen ohne Niederhalter

Bei geringer Ziehhöhe und bei dicken Blechen (über 4 mm) ist keine Gefahr der Faltenbildung gegeben, wodurch auf einen Niederhalter verzichtet werden kann. Bei Tiefziehen im Weiterzug (mehrere Ziehvorgänge) ist auch kein Niederhalter notwendig. Um faltenfreie Werkstücke zu gewährleisten darf das Ziehverhältnis von 0,85 nicht unterschritten werden.

Kümpeln

Ist das Tiefziehen in einem Zug ohne Niederhalter zum Wölben ebener Platten, z.B. für die Herstellung von Kesselböden (Klöpperboden), wobei das Werkstück im Endzustand zwischen Stempel und Matrize eingeschlossen ist.

Tiefziehen mit Niederhalter

Da bei dünneren Blechen und großen Tiefziehhöhen ist aufgrund der Faltenbildungsgefahr ein Niederhalter einzusetzen.

Stülpziehen

Ist Tiefziehen im Weiterzug mit Wirkung des Stülpstempels in gegengesetzter Wirkrichtung des vorangegangenen Tiefziehvorgangs.

Durch das doppelte Ziehen kann eine Reststülpe bestehen bleiben, außerdem ist durch die hohe Beanspruchung des Materials (muß sehr weich sein) gewährleistet, daß das Werkstück bei der Anwendung weitere Verformungen aushält.

Tiefziehen mit nachgiebigem Werkzeug

Beim Tiefziehen mit nachgiebigem Werkzeug preßt ein nachgiebiger Stempel das Werkstück in eine starre Matrize, bzw. ist das Pressen eines Werkstückes mittels eines nachgiebigen Kissens innerhalb eines "Koffers" an einen starren Stempel

Vorteile gegenüber Tiefziehen mit starren Werkzeugen:

Dadurch das sich der Druck im flexiblen Werkzeug gleichmäßig fortsetzt (ähnlich wie in Flüssigkeiten), wird der Druck auf die Werkstückoberfläche gleichmäßig verteilt. Durch diese Aufteilung werden Spannungsspitzen (z.B. an der Ziehkante(-radius)) verhindert und das Ziehverhältnis kann um etwa 10% kleiner sein, wodurch weniger Tiefziehvorgänge erforderlich sind.

Die Werkzeuge sind billiger in der Herstellung und können für verschiedene Werkstücke und Blechdicken eingesetzt werden.

Nachteile:

Da der weiche Koffer einem großen Verschleiß unterliegt, nimmt die Maßhaltigkeit bei längerer Verwendung ab, wodurch eine Serienproduktion nur bedingt möglich ist.

Tiefziehen mit Wirkmedien

Beim Tiefziehen mit Wirkmedien wird das Werkstück oder ein Hohlkörper in eine starre Matrize hineingezogen oder -gedrückt bzw. wird das Werkstück an eine starre Matrize angelegt. Dabei dient das Wirkmedium zur Kraftübertragung bzw. -verteilung. Als Wirkmedium kann man Sand, Kugeln, Flüssigkeiten oder Gase verwenden.

Tiefziehen mit Flüssigkeiten oder festen Stoffen mit kraftgebundener Wirkung

Das Wirkmedium ist der Träger der statischen Kraftwirkung. Dabei kann das Wirkmedium das Werkstück berühren oder von diesem durch einen Beutel oder einer Membran getrennt sein.

Tiefziehen mit Gasen mit kraftgebundener Wirkung

Durch das Gas kann die Verformung herbeigeführt werden, ohne daß das Werkstück verschmutzt wird. Der Druck wird, wie bei Flüssigkeiten, gleichmäßig aber wesentlich schneller aufgebracht.

Ein Verfahren ist das Tiefziehen durch evakuieren (Vakuum-Tiefziehen) welches häufig in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt wird.

Tiefziehen mit Wirkmedien mit energiegebundener Wirkung

Bei der Energiefreisetzung durchläuft ein Druckstoß das Medium. Das Übertragung-smedium kann Sand, Flüssigkeit oder Gas sein. Der Druckstoß kann erfolgen durch:

Sprengstoffdetonation

Explosion eines Gasgemisches

Funkenentladung

kurzzeitige Entspannung hochkomprimierter Gase

Tiefziehen mit Wirkenergie

Ist Tiefziehen eines Zuschnittes zu einem Hohlkörper durch Einwirkung eines Energiefeldes in Verbindung mit starren Werkzeugteilen zur genauen Festlegung der Form.

Tiefziehen durch einwirken eines Magnetfeldes.

Bei diesem Verfahren entladen sich Kondensatoren über eine Magnetspule, wobei kurze Zeit um die Magnetspule ein starkes Magnetfeld aufgebaut wird.

Abbildung 6: Tiefziehen durch Einwirkung eines Magnetfeldes

Literaturverzeichnis

Mechanische Technologie 3 für Maschinenbauer; Erste Auflage

DI Helmut Ginzel

R.  Oldenbourg Verlag Wien

Werkzeugbau I, Schnitte, Stanzen, Ziehwerkzeuge, Verbundwerkzeuge; Dritte Auflage

Oberschulrat Dir. Ing. Alfred Klampfer, Ing. Horst Lindinger

Pichler Verlagsbuchhandlung