ZIEHEN & TIEFZIEHEN

1 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:

1.1.1 Durchziehen:

Ist ein Zugdruckumformen eines Voll- o. Hohlzylinders durch eine in Ziehrichtung verengende, feststehende oder Walzen gebildete Werkzeugöffnung ohne oder mit Innenwerkzeugen (Stopfen, Stangen, Dorne). Man unterscheidet zwei Hauptverfahren: Drahtziehen und Rohrziehen.

1.1.2 Tiefziehen:

Tiefziehen ist ein Zugdruckumformen 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.

2 Drahtziehen:

2.1 Werkstoffe:

Als Drahtziehwerkstoff wird gewalzter o. vorgezogener Draht verwendet. Außer den Nichtmetallen wird vor allem unlegierter und legierter Bau-, Wälzlager-, Werkzeug- sowie rostbeständiger Stahl gezogen.

Werkzeugaufbau:

Drahtziehen ist Durchziehen von gewalztem o. vorgezogenem Draht durch ein Ziehwerkzeug (Ziehstein, Ziehring). Die kreisförmige oder anders profilierte Werkzeugöffnung heißt Ziehloch.

Als Ziehsteine werden Hartmetall und für dünne Querschnitte auch Diamanten verwendet, die in Fassungen hart eingelötet sind.

Für von der Kreisform abweichende Profile wird das Ziehwerkzeug aus mehreren Teilen zusammengebaut.

Vorteil gegenüber Walzen:

Da Draht nur bis etwa 5 mm warmgewalzt werden kann, können feinere Abmessungen nur durch Ziehen im kalten Zustand erreicht werden. Der Draht erhält hierdurch genauere Abmessungen.

Vorbereitung zum Ziehen:

Vor dem Ziehen muss der Draht entzundert werden. Härtere Stahldrähte, die in folge des höheren Kohlenstoffgehaltes den Drahtziehereien meist mit einer gewissen Randkohlung angeliefert werden, werden vor dem Ziehen oxydierend geglüht, um dadurch die entkohlte Schicht abzuzundern.

Der Rohdraht wird angespitzt (Exzenterwalzen) und durch das Ziehhol gesteckt. Dann wird er auf der Ziehtrommel befestigt, diese wird in Drehung versetzt und so der Draht durch die Ziehdüse gezogen.

Glühen von Drähten:

Mit fortschreitendem Ziehen wird der Draht immer härter, sein Umformvermögen erschöpft sich, beim Weiterziehen würde der Draht abreißen. Daher muss nach einer gewissen Querschnittsabnahme ein Glühen erfolgen, wodurch der Werkstoff wieder weich wird. Um Zunderbildung zu vermeiden, erfolgt das Zwischenglühen in Blanköfen.

Man unterscheidet folgende Glühverfahren:

Vorglühen: Schaffung eines günstigen Ziehgefüges

Zwischenglühen: für hart und spröd gewordene Drähte

Schlussglühen: wenn Drähte weich zur Auslieferung kommen sollen

Zugverfahren:

Grobzug: Drähte zwischen 16 - 4,2mm

Mittelzug: Drähte zwischen 4,2 - 1,6mm

Feinzug: Drähte zwischen 1,6 - 0,7mm

Kratzenzug: Drähte unter 0,7mm

Schmierung:

Je nach Art der Schmierung spricht man von

Schmierzug, Trockenzug, Nasszug.

Schmierzug:

Vor dem Ziehen durchläuft der Draht einen Kasten, in dem sich die guten organischen und Synthetischen Fette befinden.

Trockenzug:

Für den Trockenzug ist nadel- o. pulverförmige Natriumseife gebräuchlich.

Nasszug:

Die Ziehsteine liegen im Flüssigkeitsbad, bestehend aus Wasser, Schwefelsäure, Kupfervitriol und wasserlöslichem Fett. Dabei bildet sich ein dünner Kupferüberzug, der beim Ziehen schmierend wirkt. Die auf diese Weise gezogenen Drähte besitzen kupferrote Farbe. Wird für Drähte mit geringerem Durchmesser ( Feindrähte < 0,5mm) angewandt.

Strang-, Einzel- oder Mehrfachziehmaschinen:

Strangzug:

Erfolgt auf der Schleppzangenziehbank. Bei dieser werden die Stangen von einer Zange die an einem Wagen befestigt ist durch einen Ziehring gezogen.

Einzelzug:

Der Antrieb der Trommel erfolgt über Reibungskupplungen, die den Draht nicht ruckartig durch die Ziehdüse ziehen, wodurch er abreißen würde, sondern eine allmähliche Steigerung der Ziehgeschwindigkeit gestattet.

Mehrfachzug:

Um die Zunahme der Länge bei Mehrfachzugmaschinen auszugleichen, muss der Draht die aufeinanderfolgenden Ziehdüsen mit zunehmender Geschwindigkeit durchlaufen. Hierzu wird der Draht über Scheiben umgeleitet, wobei sich die Scheiben nach unten vergrößern.

Normale Ziehfolgen:

Anzahl der Züge und Ziehstufen für Durchmesser in mm

Durchziehen von Hohlzylindern (Rohrziehen):

Präzisionsstahlrohre werden durch warmgewalzten Rohrluppen o. aus in Bandstahl geschweißten Rohren hergestellt. Diese Rohre besitzen nicht die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit.

Um das Rohr in dem Ziehring einführen zu können, wird eine Ziehangel angeschmiedet, die von der Zange der Ziehmaschine gefasst wird.

Wie Auch schon beim Drahtziehen erwähnt, ist auch hier nach ca. Zügen ein Zwischenglühen zur Beseitigung der Kaltverfestigung nötig.

Man unterscheidet:

Stopfenzug:

Das Rohr wird über den Dorn (Stopfen) geschoben. Nachdem die Dornstange so in Ziehstellung gebracht worden ist, dass zwischen Ziehring und Stopfen ein Ziehspalt verbleibt, wird das Rohr durch diesen Spalt gezogen. Stopfen und Ziehring stehen fest. Die Ziehlänge der Ziehbänke kann bis zu 40m betragen.

Stangenzug:

Der Stangenzug funktioniert fast genauso wie der Stopfenzug. Der Unterschied liegt darin das der Stopfen durch eine Stange ersetzt wird und diese nicht fest steht, sondern mitgezogen wird.

Druckzug:

Hierbei werden die Rohre ohne Innenwerkzeug durch den Ziehring gezogen. Die genaue Einhaltung von Wanddicke und Innendurchmesser ist bei diesem Verfahren nicht gewährleistet.

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).

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

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:

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)

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.

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.

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.

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.

4.12.3.1 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.

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.