Was tiefziehformen-Design wirklich für die präzisionsfertigung bedeutet

Wenn Sie die Aufgabe haben, nahtlose zylersche becher, Sauerstofftanks oder Automobilkomponenten mit außergewöhnlichen Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnissen herzustellen, wird das Tiefziehformen-Design zu Ihrem entscheidenden Erfolgsfaktor. Im Gegensatz zum herkömmlichen Stanzprozess, bei dem Metall geschnitten oder gebogen wird, verwandelt der Tiefziehprozess flache Blechplatinen durch kontrollierten plastischen Fluss in hohle, dreidimensionale Formen. Die von Ihnen spezifizierte Formengeometrie bestimmt, ob sich das Material gleichmäßig in die gewünschte Form umformt oder unter übermäßiger Beanspruchung reißt.

Definition des Tiefziehformen-Designs in der modernen Fertigung

Was ist Tiefziehen genau? Es ist eine metallumformende Operation, bei der ein Stempel eine flache Platine durch eine Formenhöhle treibt und eine Tiefe erzeugt, die den Durchmesser des Teils überschreitet. Laut Der Blechverarbeiter , eines der größten Missverständnisse ist, dass Metall beim Umformen gedehnt wird. Tatsächlich umfassen ordnungsgemäß ausgeführte Tiefziehvorgänge nur minimales Dehnen. Das Metall verdickt sich vielmehr durch plastischen Fluss, da Druckkräfte das Material nach innen in Richtung des Stempels bewegen.

Dieser Unterschied ist entscheidend für Ihren Ansatz bei der Werkzeugauslegung. Sie entwickeln Werkzeuge, die Druck und Materialfluss steuern, nicht Dehnung. Jeder Radius, jeder Spielraum und jede Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst, wie effektiv sich das Metall von einem flachen Zuschnitt in Ihre gewünschte Geometrie umwandelt.

Warum die Werkzeuggestaltung die Bauteilqualität bestimmt

Ihre Werkzeuggeometrie steuert direkt drei kritische Ergebnisse:

• Materialflussmuster - Stempel- und Matrizenradien bestimmen, wo das Metall komprimiert bzw. gedehnt wird
• Genauigkeit der Bauteilgeometrie - Spielräume und Ziehkegel bestimmen die Maßhaltigkeit
• Produktionseffizienz - Eine korrekte Auslegung minimiert die Anzahl der Ziehstufen und vermeidet kostspielige Nacharbeit

Die Beziehung zwischen Ihrer Stanzposition und der Blechkante ist besonders entscheidend. Metall unter Druck behindert den Materialfluss. Wenn Ihr Zugstempel zu weit von der Blechkante entfernt ist, wird die Druckzone zu groß, der Fließwiderstand übersteigt die Zugfestigkeit, und es kommt zu Rissen in der Nähe der Stempelspitze.

Das Zugverhältnis – das Verhältnis zwischen Blechdurchmesser und Stempeldurchmesser – ist das grundlegende Prinzip für den Erfolg eines Tiefziehvorgangs. Wenn Sie das Grenzzugverhältnis des Materials überschreiten, wird kein noch so starker Schmiermittelzusatz oder Anpassung der Presskraft einen Ausfall verhindern.

Diese technische Referenz bietet die spezifischen Parameter, Formeln und Ansätze zur Fehlerbehebung, die Sie für eine erfolgreiche Werkzeugkonstruktion benötigen. Egal, ob Sie Tiefziehkonzepte für die Entwicklung neuer Produkte erforschen oder bestehende Werkzeuge optimieren – hier finden Sie umsetzbare Richtlinien, die auf bewährten ingenieurtechnischen Prinzipien basieren. Die folgenden Abschnitte behandeln Ziehverhältnis-Grenzwerte nach Werkstoff, Berechnung der Zuschnittsgrößen, Radiusvorgaben, Planung mehrstufiger Verfahren und Strategien zur Behebung von Fehlern, die Ihre Konstruktionen von theoretischen Ideen zu produktionsreifen Werkzeugen weiterentwickeln.

Grenzwerte für das Ziehverhältnis und Reduktionsprozentsätze nach Werkstoff

Sie wissen bereits, dass das Ziehverhältnis über den Erfolg von Tiefziehvorgängen entscheidet. Doch welche konkreten Grenzwerte gelten beim Tiefziehen von Stahl im Vergleich zum Tiefziehen von Aluminium oder rostfreiem Stahl? Ohne präzise numerische Parameter müssten Sie raten. Dieser Abschnitt liefert die exakten Werte, die Sie benötigen, um den erforderlichen Bearbeitungsstufenplan zu berechnen und Materialversagen zu vermeiden.

Maximale Ziehverhältnisse nach Werkstoffart

Die Formel für das Grenzziehverhältnis (LDR) ist einfach:

LDR = D / d, wobei D dem Ausgangsblechdurchmesser und d dem Stempeldurchmesser (innere Becherdurchmesser) entspricht

Dieses Verhältnis zeigt an, wie groß ein Ausgangsblech erfolgreich mit einer bestimmten Stempelgröße geformt werden kann. Laut Toledo Metal Spinning dient diese Formel als Ausgangspunkt zur Bestimmung der erforderlichen Anzahl an Ziehstufen. Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass sich die LDR-Werte je nach Werkstoff stark unterscheiden.

Wenn der Umformprozess von Blech über diese Grenzen hinausgeht, übersteigt die umlaufende Druckspannung die Belastbarkeit des Materials. Wie Macrodyne Press erklärt, reißt oder dehnt sich das Blech nahe der Stempelspitze, wenn die Reduktion beim Tiefziehen die Materialgrenze überschreitet. Der Fließwiderstand übersteigt schlicht die Zugfestigkeit.

Das sollten Sie über werkstoffspezifische Parameter wissen:

Materialtyp	Erste Ziehratenbegrenzung	Reduzierung bei nachfolgender Ziehung %	Empfohlene Glühgrenze
Kohlenstoffarmer Stahl (Tiefziehstahlblech)	2,0 - 2,2	25% - 30%	Nach 40% kumulativer Reduktion
Edelstahl (304/316)	1,8 - 2,0	20% - 25%	Nach 30% kumulativer Reduktion
Aluminiumlegierungen (1100, 3003)	1,9 - 2,1	20% - 25%	Nach 35 % kumulativer Reduktion
Kupferlegierungen (C11000, C26000)	2,0 - 2,3	25% - 30%	Nach 45 % kumulativer Reduktion

Beachten Sie, dass das Tiefziehen von Edelstahl die anspruchsvollsten Parameter aufweist. Die Werkstoffverfestigung führt im Vergleich zu Kohlenstoffstahl oder Kupfer zu niedrigeren ersten Ziehverhältnissen und einem früheren Bedarf an Glühung.

Berechnung der Reduzierungsprozente bei mehrstufigen Operationen

Wenn die erforderliche Gesamtreduktion größer ist, als ein einziger Zug durchführen kann, sind mehrere Stufen notwendig. Der Berechnungsprozess folgt einer systematischen Vorgehensweise, die The Fabricator als entscheidend beschreibt, um Risse, Wellungen und Oberflächenfehler zu vermeiden.

So ermitteln Sie Ihren Reduzierungsprozentsatz:

Reduktion % = (1 - Dc/Db) × 100

Dabei entspricht Dc dem Durchmesser der Tasse und Db dem Durchmesser des Ausgangsblechs.

Stellen Sie sich vor, Sie stellen eine Tasse mit 4-Zoll-Durchmesser aus einem 10,58-Zoll-Ausgangsblech her. Ihre Berechnung ergibt eine erforderliche Gesamtreduktion von etwa 62 %. Da die Grenze für den Erstzug typischerweise bei den meisten Materialien bei 50 % liegt, benötigen Sie mehrere Stufen.

Betrachten Sie dieses praktische Beispiel aus Macrodyne Press :

1. Erstzug - 50 % Reduktion anwenden (LDR 2,0), wodurch das 10,58-Zoll-Ausgangsblech auf einen Zwischendurchmesser von 5,29 Zoll reduziert wird
2. Zweiter Zug - Bis zu 30 % Reduktion anwenden (LDR 1,5), um einen Durchmesser von 3,70 Zoll zu erreichen
3. Dritter Zug - Falls erforderlich, 20 % Reduktion (LDR 1,25) für die endgültigen Abmessungen anwenden

Da der Ziel-Durchmesser von 4 Zoll zwischen der Nachziehfähigkeit und der Rohlingsgröße liegt, wird das Bauteil erfolgreich in zwei Stufen hergestellt.

Wie sich die Materialstärke auf diese Verhältnisse auswirkt

Dickere Materialien ermöglichen im Allgemeinen leicht höhere Zugverhältnisse, da sie wirksamer gegen Knicken widerstehen. Sie erfordern jedoch auch eine größere Haltekraft des Rohteilhalters sowie robustere Werkzeuge. Dünne Deep-Drawing-Stahlbleche erreichen möglicherweise nur Werte für das maximale Zugverhältnis (LDR) am unteren Ende des veröffentlichten Bereichs.

Der entscheidende Grundsatz: Alle Oberfläche, die für das fertige Bauteil benötigt wird, muss bereits im ersten Zug vorhanden sein. Wie The Fabricator betont, bleibt die Oberfläche nach der ersten Umformstation konstant. Sie verteilen lediglich das vorhandene Material neu um, ohne durch nachfolgende Operationen neues Material zu erzeugen.

Nachdem diese Grenzwerte für das Zugverhältnis festgelegt sind, benötigen Sie als Nächstes genaue Berechnungen der Rohlingsgröße, um sicherzustellen, dass ausreichend Material für die gewünschte Geometrie vorhanden ist.

Methoden und Formeln zur Berechnung der Rohlingsgröße

Sie kennen Ihre Ziehverhältnis-Grenzwerte. Sie verstehen die Reduktionsprozentsätze. Doch wie bestimmen Sie den genauen Rohlingsdurchmesser, der benötigt wird, um Ihre gewünschte Tasse oder Hülse herzustellen? Wenn der Rohling zu klein bemessen ist, reicht das Material nicht aus. Wenn er zu groß ist, verschwenden Sie Material und erzeugen einen übermäßigen Flansch, der das Abschneiden erschwert. Der Tiefziehprozess erfordert von der ersten Phase an Präzision.

Das grundlegende Prinzip für die Berechnung der Rohlingsgröße ist die Volumenkonstanz. Wie SMLease Design erklärt, muss die Oberfläche des Rohlings der Oberfläche des fertigen Bauteils entsprechen. Metall verschwindet oder entsteht während des Umformens nicht. Es verteilt sich lediglich neu – von einer flachen Scheibe hin zur dreidimensionalen Geometrie.

Oberflächenmethode zur Rohlingsentwicklung

Bei zylindrischen Tassen, den gängigsten Tiefzieh-Blechteilen, ist der mathematische Ansatz elegant. Man setzt im Wesentlichen zwei Oberflächen gleich: den flachen runden Rohling und die geformte Tasse mit Boden und Seitenwand.

Betrachten Sie eine einfache zylindrische Tasse mit Radius Rf und Höhe Hf. Der Ausgangsradius Rb kann mit dieser grundlegenden Gleichung berechnet werden:

Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)]

Diese Formel ergibt sich direkt daraus, dass die Fläche des Ausgangsmaterials (πRb²) gleich der Oberfläche der Tasse (πRf² + 2πRfHf) gesetzt wird. Wenn man nach Rb auflöst, erhält man den oben gezeigten Zusammenhang.

Betrachten wir ein praktisches Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie müssen eine Tasse mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Tiefe von 60 mm herstellen. Gemäß dem Zeichnungsstanzberechnungsprozess:

• Tassenradius (Rf) = 25 mm
• Tassenhöhe (Hf) = 60 mm
• Ausgangsradius = √[25 × (25 + 120)] = √[25 × 145] = √3625 = 60,2 mm
• Rohlingsdurchmesser = 60,2 × 2 = 120,4 mm

Diese Berechnung liefert die theoretisch minimale Rohlingsgröße. In der Praxis benötigen Sie zusätzliches Material für das Abschneiden und um Dünneffekte auszugleichen.

Berücksichtigung von Zuschnittszugabe und Materialdünnung

Die Anforderungen des realen Tiefzieh-Fertigungsprozesses gehen über das theoretische Minimum hinaus. Es wird konstruktiver Abfall für sauberes Schneiden benötigt sowie eine Kompensation für Wandstärkenänderungen während der Umformung.

Befolgen Sie diese sequenziellen Schritte für produktionsgerechte Rohlingsabmessungen:

1. Berechnen Sie die Oberfläche des fertigen Teils - Verwenden Sie geometrische Formeln für Ihre spezifische Form. Für Zylinder: πd²/4 + πdh. Bei komplexen Geometrien liefern CAD-Programme genaue Oberflächenmessungen.
2. Zugabe für Zuschnitt hinzufügen - Die branchenübliche Praxis empfiehlt, vor der Berechnung zwei Mal die Metallstärke zur Becherhöhe hinzuzufügen. Bei einem 0,010-Zoll-Material, das einen 4-Zoll-hohen Becher bildet, erhöht sich die Berechnungshöhe auf 4,020 Zoll.
3. Berücksichtigung der Materialdünnung - An der Wandung des Bechers kommt es typischerweise zu einer Wanddünnung von 10–15 %. Einige Anwender fügen 3–5 % zur berechneten Rohlingfläche hinzu, um die Dünnung durch einen Kompensationsfaktor auszugleichen.
4. Bestimmung des endgültigen Rohlingdurchmessers - Wenden Sie die Formel für die Oberfläche mit Ihren angepassten Abmessungen an und runden Sie dann auf eine praktikable Schneidgröße auf.

Nach Der Blechverarbeiter , das Hinzufügen des zweifachen Blechdickemals als zusätzlicher Zuschnittsanteil stellt eine bewährte Praxis dar, um saubere Endmaße nach dem Umformen sicherzustellen.

Wenn vereinfachte Formeln nicht ausreichen

Die oben genannten Gleichungen funktionieren hervorragend für einfache zylindrische Becher. Doch wie sieht es bei Stufendurchmessern, geflanschten Teilen oder unregelmäßigen Querschnitten aus? Komplexe Geometrien erfordern andere Ansätze.

Sie sollten zu CAD-basierten Oberflächenberechnungen übergehen, wenn:

• Ihr Bauteil mehrere Durchmesseränderungen oder konische Abschnitte enthält
• Eckradien die Oberfläche signifikant beeinflussen (die einfache Formel ignoriert den Stempelkantenradius)
• Nicht-achsensymmetrische Formen erfordern entwickelte Zuschnitte anstelle von kreisförmigen Rohlingen
• Engere Toleranzen erfordern eine Präzision, die über Daumenregel-Anpassungen hinausgeht

Bei rechteckigen oder unregelmäßigen tiefgezogenen Teilen ist die Ausgangsform des Zuschnitts möglicherweise nicht kreisförmig. Diese entwickelten Zuschnitte erfordern eine CAD-Analyse oder finite-Elemente-Simulation, um die optimale Startgeometrie zu bestimmen. Die Materialanisotropie aus der Walzrichtung beeinflusst ebenfalls die Optimierung der Zuschnittsform bei nicht-runden Teilen.

Nachdem die Zuschnittsgröße berechnet und das Material ausgewählt wurde, betrifft der nächste entscheidende Konstruktionsparameter die Radienvorgaben für Stempel und Matrize, die steuern, wie gleichmäßig sich das Metall während des Umformprozesses bewegt.

Radienvorgaben für Stempel und Matrize für einen optimalen Materialfluss

Sie haben Ihre Rohlingsgröße berechnet und kennen Ihre Zugverhältnisse. Nun kommt ein Parameter ins Spiel, der Ihre Tiefziehbearbeitung entscheidend beeinflussen kann: die Werkzeugradien. Der Radius der Stempelspitze und der Eintrittsradius der Matrize bestimmen, wie stark das Metall gebogen wird, während es vom Flansch in die Seitenwand übergeht. Liegen diese Spezifikationen falsch, drohen entweder Risse durch übermäßige Spannungskonzentration oder Faltenbildung aufgrund unzureichender Materialführung.

Hier ist das grundlegende Prinzip: Metall, das über scharfe Ecken fließt, erfährt lokalisierte Dehnungen, die die Grenzen der Duktilität überschreiten. Umgekehrt führen zu große Radien nicht zu einer ausreichenden Führung des Materials und ermöglichen so eine Druckknickung. Ihre Aufgabe besteht darin, den optimalen Kompromiss für jede Kombination aus Werkstoff und Blechdicke zu finden.

Richtlinien für den Stempelspitzerradius bei verschiedenen Materialien

Der Eckradius des Stempels bestimmt die Spannungsverteilung an der empfindlichsten Stelle Ihres gezogenen Bauteils. Laut Wikipedia-Analyse zur konstruktiven Gestaltung beim Tiefziehen , sollte die Stanzkante 4- bis 10-mal die Blechdicke betragen. Die maximale Dickenreduzierung tritt nahe der Stanzkante auf, da der Materialfluss in diesem Bereich erheblich abnimmt. Eine zu scharfe Ecke führt zu Rissen in der Nähe der Stanzgrundfläche.

Warum ist dieser Bereich so entscheidend? Beim Tiefziehen wird das Material über die Stanznase gedehnt, während es gleichzeitig in Umfangsrichtung zusammengedrückt wird. Dieser biaxiale Spannungszustand konzentriert sich im Übergangsbereich des Radius. Ein zu geringer Radius erzeugt eine Spannungskonzentration, die bereits vor Abschluss des Ziehvorgangs zum Reißen führt.

Betrachten Sie, was bei unterschiedlichen Radienwerten geschieht:

• Zu klein (unter 4t) - Starke Dehnungslokalisation führt zum Reißen an der Stanznase, insbesondere bei werkverfestigenden Materialien wie Edelstahl
• Optimaler Bereich (4–10t) - Die Spannung verteilt sich auf eine größere Zone, wodurch eine kontrollierte Dickenabnahme ohne Versagen möglich ist
• Zu groß (über 10t) - Unzureichende Einspannung ermöglicht ein Ausbeulen oder Knittern des Bodens, und die Seitenwandkontur wird undeutlich

Bei Tiefziehanwendungen mit Metall, die hochfeste Werkstoffe verwenden, sollte der größere Bereich dieses Bereichs bevorzugt werden. Weichere Materialien wie Aluminium und Kupfer können Radien näher an 4t vertragen.

Vorgaben für den Matrizen-Eintrittsradius und deren Auswirkungen

Der Radius der Matrizenkante steuert, wie sich das Metall vom horizontalen Flanschbereich in den vertikalen Matrizenhohlraum überführt. Hier wandeln sich Druckspannungen im Flansch in Zugspannungen in der Wand um. Wie Die Wikipedia-Referenz zum Tiefziehen anmerkt, sollte der Matrizenradius im Allgemeinen das 5- bis 10-fache der Blechdicke betragen. Ist dieser Radius zu klein, treten im Flanschbereich verstärkt Wellungen auf, und Risse entstehen aufgrund scharfer Richtungsänderungen im Metallfluss.

Der Matrizenradius stellt eine andere Herausforderung dar als der Stempelradius. Hier biegt sich das Metall um eine äußere Ecke, während es gleichzeitig durch den Halterdruck unter Druck steht. Ein zu geringer Radius führt zu:

• Übermäßiger Reibung und Wärmeentwicklung
• Oberflächenkratzern und Anlaufen
• Lokalem Reißen am Übergang des Radius
• Erhöhte Anforderungen an die Ziehkraft

Ein zu großer Matrizenradius verringert jedoch die wirksame Auflagefläche des Blankhalters und ermöglicht eine vorzeitige Freigabe des Materials aus der Flanschzone, was zur Bildung von Falten führt.

Radiusvorgaben nach Materialdicke

Die folgende Tabelle enthält spezifische Empfehlungen für Tiefziehvorgänge in üblichen Materialdickenbereichen:

Bereich der Materialstärken	Empfohlener Stempelradius	Empfohlener Matrizenradius	Anpassungshinweise
0,010" - 0,030" (0,25-0,76 mm)	6-10 × Dicke	8-10 × Dicke	Dünne Bleche erfordern größere Biegeradien, um Risse zu vermeiden
0,030" - 0,060" (0,76-1,52 mm)	5-8 × Dicke	6-10 × Dicke	Standardbereich für die meisten Anwendungen
0,060" - 0,125" (1,52-3,18 mm)	4-6 × Dicke	5-8 × Dicke	Dickere Materialien vertragen kleinere Vielfache
0,125" - 0,250" (3,18-6,35 mm)	4-5 × Dicke	5-6 × Dicke	Starke Materialdicke; bei tiefen Teilen mehrere Ziehungen in Betracht ziehen

Die Werkstoffart beeinflusst diese Spezifikationen ebenfalls. Edelstahl erfordert aufgrund seines Kaltverfestigungsverhaltens typischerweise Radien am oberen Ende jedes Bereichs. Weiches Aluminium und Kupfer können Werte am unteren Ende verwenden.

Beziehung zwischen Matrizen-Spiel und Materialdicke

Neben den Radien beeinflusst der Abstand zwischen Stempel und Matrize entscheidend den Materialfluss. Laut den DFM-Richtlinien von Wikipedia sollte der Abstand größer als die Metallstärke sein, um eine Konzentration des Materials an der Oberseite des Matrizenhohlraums zu vermeiden. Der Abstand sollte jedoch nicht so groß sein, dass der Materialfluss unkontrolliert wird und es zu Faltenbildung an den Wänden kommt.

Die praktische Richtlinie für den Ziehspalt:

Abstand = Materialdicke + (10 % bis 20 % der Materialdicke)

Bei einer Materialdicke von 0,040" liegt der Abstand zwischen 0,044" und 0,048". Dies bietet ausreichend Platz für die natürliche Verdickung der Seitenwände, während gleichzeitig genügend Haltekraft erhalten bleibt, um ein Beulen zu verhindern.

Einige Operationen reduzieren gezielt die Passung, um die Seitenwand zu „eisen“, wodurch eine gleichmäßigere Dicke und eine bessere Oberflächenqualität erzielt werden. Wie Hudson Technologies erklärt, kann die Werkzeugauslegung darauf abzielen, die Seitenwände über das natürliche Maß hinaus zu verdünnen oder zu eisen, was zusätzliche Maßhaltigkeit bewirkt und ein ästhetisch ansprechenderes Gehäuse ergibt.

Überlegungen zum Eckenradius bei nicht-zylindrischen Teilen

Rechteckige und quadratische tiefgezogene Teile bringen zusätzliche Komplexität mit sich. Die inneren Eckradien werden dabei zum kritischsten Konstruktionsparameter. Laut Hudson Technologies gilt die Faustregel: Materialdicke mal zwei entspricht dem kleinstmöglichen erreichbaren Eckradius. Größere Eckradien sind empfehlenswert und können die erforderliche Anzahl an Zügen verringern.

Ausnahmen sind durch zusätzliche Zugoperationen möglich, um die Eckradien weiter zu verkleinern, jedoch ist Vorsicht geboten. Eine stärkere Materialdickenreduzierung und Durchbiegung benachbarter Seitenwände können auftreten, wenn die Grenzen des Eckradius ausgereizt werden.

Berücksichtigen Sie bei nicht-runden Teilen folgende Richtlinien:

• Mindestinneneckradius = 2 × Materialdicke (absolutes Minimum)
• Bevorzugter Inneneckradius = 3–4 × Materialdicke (reduziert Ziehstufen)
• Bodenrundungsradius = Richtlinien für Stanzwerkzeug-Radius befolgen (4–10 × Dicke)

Radienänderungen für nachfolgende Ziehoperationen

Wenn Ihr Bauteil mehrere Ziehstufen erfordert, ändern sich die Radienvorgaben zwischen den Operationen. Werkzeuge für die Erstziehung verwenden typischerweise großzügigere Radien, um Kaltverfestigung zu minimieren und einen erfolgreichen Materialfluss sicherzustellen. Bei nachfolgenden Neuziehungen können schrittweise engere Radien verwendet werden, während das Bauteil seine Endabmessungen annimmt.

Eine übliche Progression:

• Erstzug - Matrizenradius bei 8–10 × Dicke; Stempelradius bei 6–8 × Dicke
• Zweiter Zug - Radius der Matrize bei 6-8 × Materialstärke; Stempelradius bei 5-6 × Materialstärke
• Endziehen - Radius der Matrize bei 5-6 × Materialstärke; Stempelradius bei 4-5 × Materialstärke

Wenn eine Glühbehandlung zwischen den Zügen erfolgt, können aggressivere Radien wieder verwendet werden, da die Kaltverhärtung beseitigt wurde. Ohne Zwischenglühen arbeitet jeder folgende Zug an zunehmend verhärtetem Material, weshalb konservativere Radien erforderlich sind, um Rissbildung zu vermeiden.

Nachdem die Radien und Spielmaße Ihrer Werkzeuge festgelegt sind, besteht die nächste Überlegung darin, wie viele Ziehstufen Ihr Bauteil tatsächlich benötigt und wie die Reduzierungsprozente auf diese Operationen verteilt werden.

Planung mehrstufiger Ziehoperationen und Reduzierungssequenzen

Sie haben Ihre Zugverhältnisse bestimmt, die Rohlinggrößen berechnet und die Werkzeugradien festgelegt. Nun stellt sich eine Frage, die erfolgreiche Tiefzieh-Stanzprojekte von kostspieligen Fehlschlägen unterscheidet: Wie viele Ziehstufen benötigt Ihr Bauteil tatsächlich? Unterschätzen Sie die Anzahl, reißen Sie das Material. Überschätzen Sie sie, verschwenden Sie Werkzeuginvestitionen und Taktzeit.

Die Antwort liegt in der systematischen Reduktionsplanung. Wie Die Bibliothek der Fertigung erklärt, benötigen Sie bei einer prozentualen Reduktion von mehr als 50 % Planungen für Nachziehoperationen. Doch das ist nur der Ausgangspunkt. Materialeigenschaften, Bauteilgeometrie und Produktionsanforderungen beeinflussen alle Ihre Entscheidungen bezüglich der Stufenauslegung.

Berechnung der erforderlichen Ziehstufen

Ihr Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnis liefert den ersten Hinweis auf die Komplexität der Stufenauslegung. Flache Teile mit Verhältnissen unter 0,5 lassen sich typischerweise in einem einzigen Zug formen. Doch was passiert, wenn Sie tiefe zylindrische Hülsen, Batteriegehäuse oder Druckbehälter mit Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnissen über 2,0 produzieren?

Befolgen Sie diesen systematischen Ansatz, um Ihre Stufenanforderungen zu ermitteln:

1. Ermitteln Sie die erforderliche Gesamtreduzierung - Berechnen Sie den Prozentsatz der Reduzierung vom Ausgangsdurchmesser auf den endgültigen Teiledurchmesser mithilfe der Formel: Reduzierung % = (1 - Dp/Db) × 100. Beispielsweise erfordert ein 10-Zoll-Rohling, der eine 4-Zoll-Scheibe bildet, eine Gesamtreduzierung von 60 %.
2. Wenden Sie materialabhängige Reduzierungsgrenzen pro Stufe an - Berücksichtigen Sie die Grenze für den ersten Umformzug (typischerweise 45–50 % für Stahl, 40–45 % für Edelstahl). Aufeinanderfolgende Züge erlauben progressiv kleinere Reduzierungen: 25–30 % für zweite Züge, 15–20 % für dritte Züge.
3. Planen Sie gegebenenfalls Zwischenglühen - Wenn die kumulative Reduzierung die Kaltverfestigungsgrenze Ihres Materials überschreitet (30–45 %, je nach Legierung), planen Sie Spannungsarmglühen zwischen den Stufen ein, um die Duktilität wiederherzustellen.
4. Konzipieren Sie Stationen für den fortgeschrittenen Werkzeugablauf - Ordnen Sie jede Reduzierungsstufe einer bestimmten Werkzeugstation zu und berücksichtigen Sie dabei die Materialhandhabung, Schmieranforderungen und Qualitätsinspektionspunkte.

Betrachten Sie ein praktisches Beispiel für eine Tiefziehbearbeitung: Sie benötigen einen 3-Zoll-durchmessigen Becher, der 6 Zoll tief ist und aus 0,040-Zoll-kohlenstoffarmem Stahl besteht. Ihr Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnis beträgt 2,0, was weit über der Einzelziehfähigkeit liegt. Wenn Sie von den fertigen Abmessungen rückwärts arbeiten, könnten Sie drei Stufen mit jeweils 48 %, 28 % und 18 % Reduktion planen.

Planung der Reduktionen über mehrere Fertigungsschritte

Sobald die Anzahl der Stufen festgelegt ist, wird die richtige Reihenfolge der Reduktionen entscheidend. Der erste Zug leistet die Hauptarbeit, während nachfolgende Züge die Geometrie verfeinern und die endgültigen Abmessungen erreichen.

Folgendes berücksichtigen erfolgreiche Tiefziehfertigungsoperationen für jede Stufe:

• Erstzug - Schafft die gesamte Oberfläche, die für das fertige Bauteil benötigt wird. Hier erfolgt die maximale Reduktion (typischerweise 45–50 %). Die Werkzeugradien sind am großzügigsten, um Kaltverfestigung zu minimieren.
• Zweiter Zug (Nachziehen) - Verringert den Durchmesser um 25–30 %, während die Tiefe zunimmt. Das Material hat sich durch den ersten Arbeitsgang verfestigt, weshalb die Kräfte trotz geringerer Reduzierungsprozentsätze ansteigen.
• Dritter und nachfolgende Züge - Weitere Durchmesserreduzierungen von 15–20 % pro Stufe. Beurteilen Sie, ob eine Glühbehandlung aufgrund der kumulativen Verformung erforderlich ist.

Nach Die Bibliothek der Fertigung , bei der Konstruktion von Zwischenformen sollten die Oberflächenflächen des Ausgangsblechs, der Zwischenprodukte und des Endteils gleich sein. Dieses Prinzip der Volumenkonstanz stellt sicher, dass vorhandenes Material umverteilt und keine neue Oberfläche erzeugt wird.

Wenn das Einstrecken ins Spiel kommt

Manchmal erfordern Ihre Anforderungen an das Tiefziehen Wanddicken, die dünner sind als das, was das Standardziehen erzeugt. Hier kommt das Einstrecken zum Einsatz. Bei herkömmlichem Tiefziehen verdicken sich die Seitenwände leicht, da sich das Material nach innen zusammendrückt. Beim Einstrecken wird dies umgekehrt, indem der Abstand zwischen Stempel und Matrize gezielt verringert wird, um die Wände zu verdünnen.

Berücksichtigen Sie die Integration des Einstreckens, wenn:

• Die Gleichmäßigkeit der Wanddicke ist entscheidend für Ihre Anwendung
• Sie benötigen Wände, die dünner sind als die ursprüngliche Rohlingsdicke
• Die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit erfordern den Glättungseffekt, den das Einstrecken bietet
• Die dimensionsgenaue Konsistenz über mehrere Produktionsdurchläufe hinweg ist von größter Bedeutung

Das Einstrecken erfolgt typischerweise in der letzten Tiefziehstufe oder als eigenständige Nachbearbeitungsoperation. Der Prozess erhöht die Formstabilität und erzeugt eine ansprechendere Oberfläche, erfordert jedoch zusätzliche Werkzeugkosten und sorgfältige Kraftberechnungen.

Progressive- vs. Transfer-Werkzeugkonfigurationen

Ihr Stufungsplan muss auf Ihre Pressenkonfiguration abgestimmt sein. Für mehrstufiges Tiefziehen gibt es zwei Hauptoptionen: Progressive-Werkzeuge und Transfer-Werkzeuge. Jede Variante bietet je nach Bauteilgeometrie und Stückzahl deutliche Vorteile.

Laut Die-Matic verwendet das Stufenfolge-Feinschneiden einen kontinuierlichen Metallstreifen, der durch mehrere Stationen geführt wird, an denen gleichzeitig Operationen durchgeführt werden. Dieser Ansatz eignet sich hervorragend für die Serienproduktion einfacher Geometrien. Der Streifen gewährleistet automatisch die Positionierung der Teile und reduziert so den Handhabungsaufwand.

Beim Transfervorgang-Feinschneiden hingegen werden einzelne Rohlinge mithilfe mechanischer oder hydraulischer Transfersysteme zwischen den Stationen bewegt. Wie Die-Matic erklärt, eignet sich diese Methode am besten für komplexe Bauteile, die mehrere Umformoperationen oder tiefe Ziehungen erfordern. Die stoppweise Bewegung ermöglicht eine präzise Steuerung des Materialflusses an jeder Station.

Konfiguration	Bestes für	Einschränkungen	Typische Anwendungen
Progressiver Stanzstempel	Hochdurchsatz, einfachere Geometrien, dünne Materialien	Begrenzte Ziehtiefe, Beschränkungen durch Streifenbreite	Elektronikbauteile, kleine Gehäuse, flache Becher
Transferwerkzeug	Komplexe Bauteile, tiefe Ziehungen, enge Toleranzen	Langsamere Zykluszeiten, höhere Werkzeugkomplexität	Automobilverkleidungen, Druckbehälter, tiefe zylindrische Hüllen

Bei Tiefziehungen mit Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnissen über 1,0 liefern Transfer-Werkzeugkonfigurationen in der Regel bessere Ergebnisse. Die Möglichkeit, das Ausgangsmaterial an jeder Station präzise neu zu positionieren, ermöglicht einen kontrollierten Werkstofffluss, der bei mehrstufigen Operationen unerlässlich ist. Folgeverbundwerkzeuge eignen sich gut, wenn der erste Ziehschritt bereits den größten Teil der erforderlichen Tiefe erreicht und nachfolgende Stationen Schneid-, Stanz- oder geringfügige Umformoperationen durchführen.

Nachdem Ihr Ablaufplan und die Werkzeugkonfiguration festgelegt sind, besteht der nächste entscheidende Faktor darin, die Haltekraft des Ausgangsmaterials zu berechnen, um Faltenbildung zu verhindern, ohne dabei eine übermäßige Reibung zu erzeugen, die Risse verursachen kann.

Anforderungen an die Blank-Halterkraft und Druckregelung

Sie haben Ihre Zugstufen geplant und die Matrizenkonfiguration ausgewählt. Nun folgt ein Parameter, der eine präzise Kalibrierung erfordert: die Haltekraft des Blankholders. Ist der Druck zu gering, entstehen durch Druckspannungen Wellen im Flanschbereich. Ist er zu hoch, verhindert die Reibung den Materialfluss, wodurch das Bauteil in der Nähe der Stempelspitze reißen kann. Das richtige Gleichgewicht zu finden, setzt ein Verständnis sowohl der zugrundeliegenden Physik als auch der steuerbaren Variablen voraus.

Der Blankholder erfüllt eine Hauptfunktion: Er fixiert den Flanschbereich, während ein kontrollierter Materialfluss in den Matrizenhohlraum ermöglicht wird. Laut FACTONs Tiefziehkostenmodell repräsentiert die Blankholder-Fläche das Material, das beim Tiefziehen gehalten werden muss, um Wellenbildung zu vermeiden. Der auf diesen Bereich ausgeübte Druck, kombiniert mit der Reibung, erzeugt den Widerstand, der regelt, wie sich das Metall in den Umformprozess einspeist.

Formeln und Variablen für die Blankholder-Druckkraft

Die Berechnung der geeigneten Haltekraft ist kein Raten. Die Beziehung zwischen Druck, Materialeigenschaften und Geometrie folgt etablierten Prinzipien. Hier ist der grundlegende Ansatz:

Haltekraft = Haltefläche × Haltepressung

Klingt einfach? Die Komplexität liegt in der Bestimmung des richtigen Druckwerts. Mehrere Faktoren beeinflussen die erforderliche Haltepressung:

• Materialstärke - Werkstoffe mit höherer Zugfestigkeit erfordern eine größere Haltekraft, um den Materialfluss zu kontrollieren. Wie FACTON anmerkt, fließt die Zugfestigkeit direkt in die Berechnung der Haltepressung ein.
• Rohlingsdurchmesser - Größere Bleche erzeugen größere Druckkräfte in der Flanschzone und erfordern proportional höhere Haltekraft.
• Ziehtiefe - Tiefere Züge benötigen über einen längeren Hub hinweg konstante Pressung, was sowohl die Kraftgröße als auch die Systemauslegung beeinflusst.
• Reibungskoeffizient - Die Qualität der Schmierung beeinflusst direkt, wie viel Kraft in Materialhalterung und wie viel in Wärmeentwicklung umgesetzt wird.
• Ziehverhältnis - Höhere Verhältnisse konzentrieren mehr Druckspannung im Flansch, was einen erhöhten Halte druck erfordert.

Eine übliche Startformel für den Druck des Blechhalters liegt bei 0,5 bis 1,5 MPa für Baustahl, angepasst an das jeweilige Material und die Geometrie. Edelstahl erfordert aufgrund seiner Kaltverfestigungseigenschaften in der Regel Drücke am oberen Ende der Skala. Aluminium- und Kupferlegierungen verarbeiten sich oft gut bei niedrigeren Drücken.

Die Berechnung der Blechhalterfläche hängt selbst von der Größe des Zuschnitts und der Geometrie der Matrize ab. Es wird im Wesentlichen der ringförmige Bereich zwischen der Matrizenausnehmung und dem Rand des Zuschnitts berechnet. Während des Tiefziehvorgangs verringert sich diese Fläche, was erklärt, warum variable Drucksysteme bei tiefen Zügen Vorteile bieten.

Abwägung zwischen Faltenvermeidung und Risiko eines Risses

Laut einer in den CIRP Annals , sind die vorherrschenden Ausfallarten beim Tiefziehen Wellenbildung und Bruch, und in vielen Fällen können diese Fehler durch eine geeignete Steuerung der Haltekraft beseitigt werden. Diese Erkenntnis verdeutlicht, warum die Kalibrierung der Haltekraft einen so kritischen Konstruktionsparameter darstellt.

Hier ist die zugrundeliegende Physik: Beim Stanzvorgang des Tiefziehens entstehen im Flansch umlaufende Druckspannungen, während sich das Material radial nach innen bewegt. Ohne ausreichende Zurrgung verursachen diese Spannungen eine Aufwölbung des Flansches, wodurch Falten entstehen. Eine zu starke Zurrgung hingegen verhindert das Materialfließen vollständig, sodass die Zugspannungen in der Nähe des Stempels die Werkstofffestigkeit überschreiten und Risse verursachen.

Die Studie stellt fest, dass das Verknittern der Wand besonders herausfordernd ist, da das Blech in diesem Bereich nicht durch das Werkzeug gestützt wird. Die Unterdrückung von Wandknittern durch die Steuerung der Halterkraft ist schwieriger als die Verhinderung von Flanschknittern. Das bedeutet, dass Ihre Druckeinstellungen berücksichtigen müssen, wo Fehler am ehesten auftreten.

Woran erkennen Sie, dass Ihr Halterdruck falsch eingestellt ist? Achten Sie auf folgende diagnostische Hinweise:

• Knittermuster - Umfangsnahe Beulen in der Flanschzone deuten auf unzureichenden Druck hin; Wandknitter weisen auf komplexere Strömungssteuerungsprobleme hin
• Kantenreißen - Risse, die am Blantrand beginnen, signalisieren übermäßige Reibung aufgrund zu hohen Drucks
• Unregelmäßige Wanddicke - Asymmetrische Dünnerziehungs­muster zeigen eine nicht gleichmäßige Druckverteilung über die Oberfläche des Halteres an
• Oberflächenritzung - Anlaufflecken auf dem Flansch deuten auf übermäßigen Druck in Kombination mit unzureichender Schmierung hin
• Rissbildung an der Stempelnase - Brüche in der Nähe des Becherbodens deuten darauf hin, dass das Material nicht frei genug fließen kann, um Zugspannungen abzubauen

Wenn Sie Faltenbildung feststellen, liegt es nahe, den Druck stark zu erhöhen. Widerstehen Sie diesem Drang. Schrittweise Anpassungen von 10–15 % ermöglichen es Ihnen, den optimalen Druck anzunähern, ohne in den Bereich übermäßigen Drucks zu geraten, der Risse verursachen kann.

Variablen Halterdrucksysteme

Für komplexe Tiefziehmetallteile erweist sich ein konstanter Druck während des gesamten Hubes oft als unzureichend. Wie The Fabricator erklärt, bieten elektronische Shimsysteme die größte Flexibilität bei der Kontrolle des Blech- und Materialflusses beim Tiefziehen. Diese Systeme ermöglichen es, den Halterdruck an beliebigen Stellen entlang des Umfangs der gezogenen Form und zu jedem Zeitpunkt während des Presshubes anzupassen.

Warum ist variabler Druck wichtig? Betrachten Sie, was während eines Ziehvorgangs geschieht:

• Zu Beginn des Hubs erfordert die gesamte Blankfläche eine Führung, um Faltenbildung zu verhindern
• Während das Material in den Werkzeugteil fließt, nimmt die Flanschfläche kontinuierlich ab
• Die Aufrechterhaltung einer konstanten Kraft auf einer schrumpfenden Fläche bedeutet, dass der wirksame Druck zunimmt
• Dieser ansteigende Druck kann verhindern, dass Material während des kritischen letzten Teils des Ziehvorgangs fließt

Systeme mit variabler Druckregelung beheben dieses Problem, indem sie die Kraft während des Ziehprozesses reduzieren und so einen optimalen Druck – statt einer optimalen Kraft – aufrechterhalten. Laut The Fabricator können diese Systeme außerdem Änderungen in der Metallstärke ausgleichen, die während des Ziehprozesses auftreten, wodurch die Notwendigkeit eines Laufpunkts im Halter entfällt.

Anforderungen an die Matratze und Alternativen zu Stickstofffedern

Ihre Haltekraft muss von irgendwoher kommen. Es existieren drei Hauptoptionen, jede mit eigenen Eigenschaften für Tiefziehanwendungen in der Metallumformung

Pressenmatratzen stellen den traditionellen Ansatz dar. Wie The Fabricator anmerkt, können hydraulische Puffer die enormen Halterkräfte erzeugen, die für das Ziehen von Teilen wie Autokotflügeln und Außentüren benötigt werden. Diese Systeme liefern Kraft über Luft- oder Pufferstifte, die den Druck gleichmäßig über die gesamte Halterfläche übertragen.

Pressenpuffer erfordern jedoch eine sorgfältige Wartung. The Fabricator warnt, dass bei beschädigten, verbogenen oder ungleichmäßigen Luftstiften eine Verformung des Binders auftreten kann, was zu einer schlechten Passform zwischen Matrize und Halter führt und den Materialfluss beeinträchtigen kann. Ebenso beeinträchtigen eingedellte oder verschmutzte Pufferflächen die Druckverteilung, unabhängig von der Genauigkeit der Stifte.

Stickstofffedern bieten eine eigenständige Alternative, die direkt in der Presseform montiert wird. Diese mit Gas befüllten Zylinder liefern über ihren gesamten Hub eine gleichmäßige Kraft und benötigen keine externe Druckversorgung. Für Präzisionsanwendungen wie Metallumformung, Münzen und ähnliche Vorgänge bieten Stickstofffedern eine Wiederholgenauigkeit, die Luftsysteme manchmal nicht erreichen können.

Vorteile von Stickstofffedern sind:

• Kompakte Installation innerhalb der Formstruktur
• Konstante Kraftabgabe unabhängig vom Zustand des Pressenkissens
• Einfache Austauschbarkeit und Wartung
• Vorhersehbare Leistung über verschiedene Produktionsläufe hinweg

Der Kompromiss? Stickstofffedern weisen feste Krafteigenschaften auf. Sie können den Druck während des Hubs nicht verändern, ohne die Federspezifikation zu ändern. Für Teile, die variable Haltekraftprofile erfordern, bieten Pressenkissen-Systeme mit programmierbarer Steuerung eine größere Flexibilität.

Hubzylinder für Lagerheber stellen eine weitere Option dar, insbesondere für Stufenfolgeverbundwerkzeuge. Laut The Fabricator können diese einsatzfertigen Gasfedern mehr Seitenschub und Beanspruchung absorbieren als herkömmliche Zylinder. Sie verfügen über vorgebohrte Löcher zur Befestigung von Vorhalterahmen, wodurch der Werkzeugbau vereinfacht wird.

Wählen Sie Ihr Drucksystem so, dass die Komplexität den Anforderungen entspricht. Investieren Sie nicht in kostspielige elektronische Einstellsysteme, wenn einfache Stickstofffedern ausreichen. Umgekehrt sollten Sie nicht erwarten, komplexe Geometrien erfolgreich zu ziehen, wenn grundlegende Urethan-Drucksysteme nicht über die erforderliche Kraftkapazität und Steuerpräzision für anspruchsvolle Anwendungen verfügen.

Wenn die Haltekraft für das Zuschnittblech korrekt kalibriert ist, können konsistente Teile gefertigt werden. Was aber passiert, wenn dennoch Fehler auftreten? Der nächste Abschnitt bietet systematische Fehlerbehebungsansätze zur Diagnose und Behebung von Problemen wie Faltenbildung, Reißen und Oberflächenqualität, die selbst gut konstruierte Werkzeuge vor Herausforderungen stellen.

Fehlerbehebung bei Tiefziehfehlern und Ursachenanalyse

Sie haben Ihre Haltekraft kalibriert, die Werkzeugradien festgelegt und Ihre Reduktionssequenz geplant. Dennoch treten weiterhin Fehler an Ihren Bauteilen auf. Was läuft falsch? Die Antwort liegt in einer systematischen Diagnose. Jede Falte, jeder Riss und jedes Oberflächenmanko erzählt eine Geschichte über Ihren Prozess. Das Lesen dieser Ausfallmuster verwandelt frustrierenden Ausschuss in handlungsrelevante Erkenntnisse zur Verbesserung des Werkzeugdesigns.

Tiefzieh-Stanzfehler fallen in vorhersehbare Kategorien, jede mit charakteristischen visuellen Merkmalen und zugrundeliegenden Ursachen. Laut Metal Stamping O stammen die meisten Tiefzieh-Stanzprobleme aus einer Kombination von Werkzeug- und Konstruktionsfehlern. Durch die Untersuchung des fertigen Produkts kann das geschulte Auge eine klare Aussage über die Qualität des Prozesses treffen. Ihre Aufgabe besteht darin, dieses geschulte Auge zu entwickeln.

Diagnose von Falt- und Reißfehlern

Falten und Risse stellen entgegengesetzte Enden des Materialflussspektrums dar. Falten deuten auf unkontrollierte Kompression hin. Risse signalisieren übermäßige Zugspannung. Die Einsicht, wo jeder dieser Fehler an Ihrem Bauteil auftritt, führt direkt zum verursachenden Werkzeuggestaltungsparameter.

Diagnose von Faltenbildung: Wo bilden sich Falten an Ihrem Bauteil? Am Blanktrand auftretende Flanschfalten deuten typischerweise auf unzureichenden Halterdruck hin. Wie Metal Stamping O erklärt, fließt das Metall nicht richtig, wenn der Halter unausgeglichen oder zu fest ist oder wenn die Kontur des Blanks einen Grat an der Haltekante aufweist, wodurch charakteristische Falten am oberen Rand entstehen. Wandfalten, die im nicht gestützten Bereich zwischen Halter und Stempel auftreten, deuten auf übermäßigen Spielraum oder unzureichenden Radien im Werkzeug hin.

Lösungen für Faltenfehler:

• Halterdruck schrittweise erhöhen (Anpassungen um 10–15 %)
• Parallelität des Blechhalters prüfen und Neigung korrigieren
• Kanten des Blechs auf Grate untersuchen, die eine ordnungsgemäße Auflage verhindern
• Die Spielbreite verringern, um eine bessere Wandstütze zu gewährleisten
• Gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Blankhalteroberfläche sicherstellen
• Ziehkränze in Betracht ziehen, um die Materialrückhaltung in problematischen Bereichen zu erhöhen

Rissdiagnose: Die Rissstelle zeigt die Quelle der Spannungskonzentration an. Risse in der Nähe der Stempelspitze deuten darauf hin, dass das Material nicht frei genug fließen kann, um Zugspannungen abzubauen. Laut ACs Analyse von Blechfehlern beim Metallformen führen übermäßige Umformkräfte durch Stempel zu Überdeformation, Einrissen und Rissen in den gestanzten Teilen.

Am Rand des Ausgangsmaterials beginnende Risse weisen auf unterschiedliche Probleme hin. Laut Metal Stamping O sind Bodenrisse hauptsächlich auf den Zustand des Zuschnitts und des Blankhalters zurückzuführen. Kerben oder Aufreibschäden an der Oberfläche können den Materialfluss in den Werkzeughohlraum vermindern, wodurch Risse am Boden der Tasse entstehen.

Lösungen für Rissfehler:

• Blankhalterdruck verringern, um einen freieren Materialfluss zu ermöglichen
• Erhöhen Sie den Radius der Stempelspitze, um die Spannung auf eine größere Fläche zu verteilen
• Erhöhen Sie den Einlaufradius der Matrize, um die Reibung während des Materialumschlages zu verringern
• Überprüfen Sie, ob der Spielraum zwischen Stempel und Matrize für Ihre Materialstärke nicht zu gering ist
• Verbessern Sie die Schmierung, um reibungsbedingte Zugspannungen zu reduzieren
• Ziehen Sie eine Glühbehandlung in Betracht, falls Kaltverfestigung durch vorherige Umformvorgänge die Duktilität verringert hat
• Verringern Sie das Ziehverhältnis, indem Sie zusätzliche Ziehstufen hinzufügen

Lösung von Earing- und Oberflächenqualitätsproblemen

Nicht alle Fehler führen zu einem katastrophalen Versagen. Earing verursacht eine ungleichmäßige Napfhöhe, die einen übermäßigen Zuschnitt erfordert. Oberflächenfehler beeinträchtigen das Aussehen und können die Funktion des Bauteils beeinflussen. Beides lässt sich auf steuerbare Prozessparameter zurückführen.

Earing-Erklärung: Wenn Sie eine gezogene Napfform untersuchen und feststellen, dass die Randhöhe am Umfang variiert, sehen Sie Earing. Wie Breaking AC erklärt, bezeichnet der Earing-Fehler eine ungleichmäßige Höhe am Rand des gezogenen Teils. Der Hauptgrund liegt in der mangelnden Berücksichtigung der Kompatibilität zwischen Werkzeug und Werkstoff.

Allerdings spielt die Werkstoffanisotropie die Hauptrolle. Bleche aus Walzvorgängen weisen richtungsabhängige Eigenschaften auf. Die Körner verlängern sich in Walzrichtung, wodurch unterschiedliche mechanische Eigenschaften bei 0°, 45° und 90° zu dieser Richtung entstehen. Beim Tiefziehen fließt das Material in bestimmten Richtungen leichter als in anderen, was charakteristische „Ohren“ an vorhersagbaren Winkelpositionen erzeugt.

Maßnahmen zur Verringerung von Ohrenbildung:

• Werkstoffe mit niedrigen planaren Anisotropiewerten auswählen (r-Wert in allen Richtungen nahe 1,0)
• Entwickelte Zuschnitte verwenden, die die Unterschiede im Fließverhalten ausgleichen
• Zuschnittszugabe erhöhen, um erwartete Schwankungen der Ohrhöhe auszugleichen
• Für kritische Anwendungen kreuzgewalzte Werkstoffe in Betracht ziehen
• Blechhalterdruck anpassen, um die Gleichförmigkeit des Materialflusses zu beeinflussen

Oberflächenqualitätsprobleme: Kratzer, Kaltreibungsanhaftungen, Orangenhautstruktur und Matrizenlinien weisen alle auf bestimmte Prozessprobleme hin. Kaltreibungsanhaftungen treten auf, wenn unzureichende Schmierung direkten Metall-Metall-Kontakt zwischen Rohling und Werkzeug zulässt. Eine Orangenhautstruktur deutet auf übermäßiges Kornwachstum infolge Überglühen oder auf Material mit ungeeigneter Kornstruktur für Ihre Ziehtiefe hin.

Lösungen für Oberflächendefekte:

• Verbessern Sie die Qualität und Abdeckung der Schmierung, insbesondere in Bereichen mit hoher Reibung
• Polieren Sie die Oberflächen von Matrize und Stempel, um Reibung zu verringern und Materialanhäufung zu verhindern
• Wählen Sie geeigneten Werkzeugstahl und Oberflächenbehandlungen für Ihre Materialkombination
• Überprüfen Sie, ob die Korngröße des Materials für Ihre Ziehbeanspruchung geeignet ist
• Prüfen Sie, ob Schmutz oder Verunreinigungen auf Halter- und Matrizenoberflächen vorhanden sind
• Erwägen Sie Schutzfolien für Teile, die eine makellose Oberflächenqualität erfordern

Umfassende Defekt-Referenztabelle

Die folgende Tabelle fasst die Diagnose von Defekten in einem übersichtlichen Format für Tiefziehstahl, Edelstahl und andere gängige Materialien zusammen:

Fehlertyp	Visuelle Indikatoren	Ursachen	Korrekturmaßnahmen
Falzenwellen	Umfangsbügel an der Blechkante; wellige Flanschoberfläche	Unzureichender Halterdruck; Fehlausrichtung des Halters; Grate an der Blechkante	Haltekraft erhöhen; Parallelität des Halters prüfen; entgraten; Ziehleisten hinzufügen
Wandwellen	Bügel an der Seitenwand des Bechers zwischen Flansch und Stempelnase	Zu großer Matrizenabstand; unzureichender Matrizenradius; dünnes Material	Abstand verringern; Matrizenradius vergrößern; Eisenoperation in Betracht ziehen
Rissbildung an der Stempelnase	Risse, die am Radius des Bodens des Bechers beginnen	Stempelradius zu klein; Ziehverhältnis überschritten; zu hohe Haltekraft; unzureichende Schmierung	Stempelradius vergrößern; Ziehstufe hinzufügen; Haltekraft verringern; Schmierung verbessern
Kantenreißen	Risse, die von der Blechperipherie ausgehen	Übermäßiger BHF; Grate an der Blechkante; Klemmverschleiß am Blechhalter	BHF reduzieren; Bleche entgraten; Blechhalter polieren; Schmierung verbessern
Earing	Unregelmäßige Tassenumfangshöhe; typische Spitzen im Abstand von 45°	Planare Werkstoffanisotropie; inkonsistenter Druck des Blechhalters	Isotropen Werkstoff wählen; entwickelte Bleche verwenden; Zuschnittzugabe erhöhen
Unregelmäßige Wanddicke	Lokale Dünnpunkte; asymmetrische Dickenverteilung	Punch-Die-Verkantung; nicht gleichmäßiger BHF; Werkstoffschwankungen	Werkzeugausrichtung korrigieren; BHF-Gleichmäßigkeit überprüfen; Materialkonsistenz prüfen
Kleben/Kratochvíl	Lineare Kratzer; Materialanhaftung an den Werkzeugen	Unzureichende Schmierung; inkompatibles Werkzeugmaterial; übermäßiger Druck	Schmiermittel verbessern; Oberflächenbeschichtungen auftragen; KontaktDruck verringern
Orangenschale	Raue, strukturierte Oberfläche, die einer Zitrusfruchtschale ähnelt	Übermäßige Korngröße; Überglühen; starke Verformung	Feinkörniges Material vorschreiben; Glühparameter kontrollieren
Rückfedern	Bauteilabmessungen weichen von der Werkzeuggeometrie ab; Wände wölben sich nach außen	Elastische Rückfederung nach dem Umformen; hochfeste Werkstoffe	Überbiegen des Werkzeugs zur Kompensation; Haltezeit am Hubunterpunkt verlängern

Systematischer Diagnoseansatz

Wenn bei Ihrem Tiefziehen von Stahl oder anderen Materialien Fehler auftreten, widerstehen Sie dem Drang, mehrere gleichzeitige Anpassungen vorzunehmen. Befolgen Sie stattdessen einen methodischen Prozess:

1. Fehlerstelle genau prüfen - Dokumentieren Sie genau, an welcher Stelle des Bauteils der Fehler auftritt. Fotografieren Sie das Ausfallmuster zur späteren Referenz.
2. Ausfallmuster analysieren - Ist es symmetrisch oder lokal begrenzt? Tritt es an konsistenten Winkelpositionen auf? Erscheint es an derselben Hubposition?
3. Auf Werkzeugauslegungsparameter zurückführen - Verwenden Sie die obige Fehlertabelle, um mögliche Ursachen basierend auf Fehlertyp und -ort zu identifizieren.
4. Einzelne Anpassungen vornehmen - Ändern Sie jeweils nur einen Parameter, um den Effekt zu isolieren. Dokumentieren Sie jede Anpassung und das Ergebnis.
5. Stabilität der Korrektur überprüfen - Fertigen Sie ausreichend Teile an, um sicherzustellen, dass die Abhilfemaßnahme konsistent im gesamten Produktionsprozess wirkt und nicht nur bei einigen Stichproben funktioniert.

Nach Metal Stamping O , Einblicke in das Tiefziehverfahren zu gewinnen und zu verstehen, wie man ein fertiges Teil prüft, ist entscheidend für den Entscheidungsprozess. Diese diagnostische Fähigkeit erweist sich als unschätzbarer Wert sowohl bei der anfänglichen Werkzeugentwicklung als auch bei der laufenden Produktionsfehlerbehebung.

Beachten Sie, dass einige Fehlerarten wechselwirken. Die Erhöhung der Halterkraft, um Faltenbildung zu vermeiden, kann den Prozess in Richtung Rissbildung bringen. Das Ziel besteht darin, das Betriebsfenster zu finden, in dem beide Ausfallarten vermieden werden. Bei anspruchsvollen Geometrien kann dieses Fenster eng sein und erfordert präzise Steuerungssysteme sowie konsistente Materialeigenschaften.

Nachdem die Grundlagen der Fehlersuche etabliert sind, stützt sich die moderne Werkzeugkonstruktion zunehmend auf Simulationswerkzeuge, um Fehler vor dem Bearbeiten des Stahls vorherzusagen und zu vermeiden. Im nächsten Abschnitt wird erläutert, wie die CAE-Analyse Ihre Konstruktionsentscheidungen validiert und den Weg hin zu produktionsreifen Werkzeugen beschleunigt.

Integration der CAE-Simulation zur Validierung moderner Werkzeugkonstruktionen

Sie beherrschen Ziehverhältnisse, legen Radien von Werkzeugen fest und verfügen über Expertise in der Fehlersuche. Stellen Sie sich jedoch vor, jedes mögliche Defekt bereits vorzusagen, bevor auch nur ein Stück Werkzeugstahl bearbeitet wurde. Genau das liefert die CAE-Simulation. Die moderne Blechumformtechnik hat sich weiterentwickelt – weg vom Versuch-und-Irrtum-Prinzip. Mithilfe der Finite-Elemente-Analyse können Ihre Konstruktionsentscheidungen nun virtuell validiert werden, wodurch Faltenbildung, Risse und Dickenabnahme erkannt werden, während Ihr Werkzeug noch ausschließlich als digitale Geometrie existiert.

Warum ist dies für Ihre Tiefziehprojekte wichtig? Laut einer in der International Journal of Engineering Research & Technology , würde eine Verringerung der Anzahl von Versuchen die Zykluszeit für die Entwicklung direkt beeinflussen. Mit einer sorgfältigen Nutzung von Software-Tools, die die Ergebnisse von Versuchen vorhersagen können, ohne diese tatsächlich durchzuführen, lässt sich eine kürzere Zykluszeit planen. Die während des Stanzprozesses angebotene Simulation liefert wichtige Erkenntnisse zu notwendigen Änderungen in der Matrizen- und Bauteilgestaltung.

Integration der Simulation in die Validierung der Matrizenkonstruktion

Die Finite-Elemente-Analyse wandelt Ihren Konstruktionsprozess für Metallstanzwerkzeuge von reaktiv zu prädiktiv. Anstatt Werkzeuge zu bauen, Versuche durchzuführen, Fehler zu entdecken, Stahl nachzubearbeiten und den Prozess zu wiederholen, iterieren Sie digital, bis die Simulation den Erfolg bestätigt. Erst dann gehen Sie zur physischen Werkzeugfertigung über.

Die Physik hinter der Simulation von Stanzformdesign beinhaltet die Diskretisierung Ihres Zuschnitts in Tausende von Elementen, wobei jedes Element Spannung, Dehnung und Verschiebung verfolgt, während der virtuelle Stempel voranschreitet. Die Software wendet die mechanischen Eigenschaften Ihres Materials, Reibungskoeffizienten und Randbedingungen an, um zu berechnen, wie sich jedes Element während des gesamten Hubes verformt.

Was kann die Simulation vorab vorhersagen, bevor etwas gebaut wird?

• Materialflussmuster - Veranschaulichen Sie genau, wie sich das Metall vom Flansch in den Formhohlraum bewegt, und identifizieren Sie Bereiche mit übermäßiger Kompression oder Zugbelastung
• Dickenabnahme-Verteilung - Erfassen Sie Dickenänderungen über das gesamte Bauteil hinweg und erkennen Sie potenzielle Ausfallzonen, bevor sie Ausschuss verursachen
• Neigung zur Wellenbildung - Erkennen Sie Druckknickung in Flanschen und ungestützten Wandbereichen, die eine Modifikation der Werkzeuge erfordern würden
• Rückfederungsvorhersage - Berechnen Sie die elastische Rückfederung nach dem Umformen, um Kompensationen in Ihre Formgeometrie einzuplanen
• Optimierung der Haltekraft der Ziehhalterplatte - Ermitteln Sie ideale Druckprofile, die sowohl Faltenbildung als auch Reißen verhindern
• Wirkung von Ziehkränzen - Testen Sie Haltekonfigurationen virtuell, bevor Sie Änderungen an den Werkzeugen vornehmen

Die Untersuchung bestätigt, dass dieser Ansatz funktioniert. Wie die IJERT-Studie feststellt, sollte die virtuelle Validierung des Werkzeugs mithilfe von Simulationssoftware bereits in der Entwurfsphase auftretende Probleme adressieren. Während der Fertigung des Werkzeugs dienen Versuche und Tests der Validierung, indem das physische Werkzeug erprobt wird, um die Bauteilqualität zu überprüfen.

Grundlagen der Formgrenzdiagramme

Unter den Simulationsergebnissen gilt das Formgrenzdiagramm als Ihr leistungsfähigstes Werkzeug zur Vorhersage von Fehlerstellen. Laut Umformsimulation , besteht der Hauptzweck jeder Umformsimulation darin, das Werkstoffverhalten vor dem Bau des Stanzwerkzeugs zu überprüfen. Das Formgrenzdiagramm (FLD) entstand ursprünglich als Abschlussforschungsprojekt eines Absolventen im Jahr 1965 und hatte zum Ziel, herauszufinden, was lokalisiertes Einreißen und Spalten beim Umformen von Blech auslöst, und ob ein solches Spalten im Voraus vorhergesagt werden kann.

So funktioniert die FLD-Analyse: Die Simulation berechnet die Dehnung in zwei Richtungen (Haupt- und Nebenachse) für jedes Element Ihres umgeformten Bauteils. Diese Dehnungspaare werden als Punkte in einem Diagramm dargestellt. Die Formgrenzkurve, die spezifisch für Ihr Material und dessen Dicke ist, trennt sichere Bereiche von Ausfallzonen.

Was sagt Ihnen die FLD über Ihre Tieftreibpresse-Einstellung?

• Punkte unterhalb der Kurve - Sichere Umformbedingungen mit ausreichendem Sicherheitsabstand
• Punkte nahe der Kurve - Risikobereich, der konstruktive Aufmerksamkeit erfordert
• Punkte oberhalb der Kurve - Ein Ausfall ist sicher; an diesen Stellen kommt es zur Rissbildung
• Punkte im Druckbereich - Neigung zu Faltenbildung, die eine erhöhte Halterplattpressung erforderlich machen könnte

Wie der Stanzsimulation-Referenz erklärt, wird die Umformgrenzkurve hauptsächlich durch den n-Wert und die Dicke eines bestimmten Materials bestimmt. Die Ergebnisse veranschaulichen berechnete Bereiche des Materialfließens, Ausmaße der Einschnürung sowie Kompressionszonen, in denen Falten und Wellen entstehen können. Mit diesen Informationen können Gegenmaßnahmen an der Matrizenoberfläche bereits vor dem Schneiden von Stahl vorgenommen werden.

Von der CAE-Analyse bis zur produktionsreifen Werkzeugauslegung

Simulation ersetzt keine physische Validierung. Sie beschleunigt jedoch Ihren Weg zur erfolgreichen physischen Validierung. Der Arbeitsablauf folgt einer iterativen Optimierungsschleife:

1. Erstellen Sie ein erstes Werkzeugdesign - Entwickeln Sie die Geometrie basierend auf Ihren berechneten Ziehverhältnissen, Radiusvorgaben und der Zuschnittsgröße
2. Führen Sie eine Umformsimulation durch - Wenden Sie Materialeigenschaften, Reibungswerte und Prozessparameter an
3. Analysieren Sie die Ergebnisse - Überprüfen Sie FLC-Diagramme, Dickenverteilungskarten und Falzindikatoren
4. Identifizieren Sie problematische Bereiche - Elemente identifizieren, die sich über den zulässigen Grenzwerten befinden oder an die Grenzen des Versagens heranreichen
5. Konstruktionsparameter anpassen - Radien, Freiräume, Halterdruck oder Ziehkrallenkonfiguration anpassen
6. Simulation erneut ausführen - Überprüfen, ob die Änderungen die Probleme behoben haben, ohne neue Probleme zu verursachen
7. Weiterhin iterieren, bis akzeptable Ergebnisse vorliegen - Optimierung fortsetzen, bis alle Elemente innerhalb der sicheren Umformgrenzen liegen
8. Freigabe zur Werkzeugfertigung - Mit Zuversicht die physische Matrizenfertigung beginnen

Laut der IJERT-Studie würde die Matrize als validiert gelten, nachdem physische Testteile auf das Vorhandensein und das Ausmaß von Fehlern geprüft wurden. Eine geringe Fehlerhäufigkeit und Konsistenz in den gewünschten Eigenschaften würden die Grundlage für die Validierung bilden. Die Simulation reduziert die Anzahl erforderlicher Iterationen, um diesen Validierungspunkt zu erreichen, erheblich.

Wichtige Simulationsprüfungen in Ihrem Entwicklungsprozess

Nicht jede Konstruktionsentscheidung erfordert eine vollständige Simulationsanalyse. Bei bestimmten Prüfpunkten ist jedoch eine virtuelle Validierung von großem Vorteil:

• Verifizierung der Zuschnittsentwicklung - Bestätigen Sie, dass die berechnete Zuschnittgröße ausreichend Material bietet, ohne übermäßigen Verschnitt zu verursachen
• Eignung für die Erstumformung - Stellen Sie sicher, dass Ihre anfängliche Umformtiefe innerhalb der Materialeigenschaften bleibt
• Analyse des Übergangs bei mehrstufiger Umformung - Überprüfen Sie, ob der Werkstoffzustand zwischen den Umformstufen formstabil bleibt
• Bewertung der Eckradien - Prüfen Sie die Dehnungsbeanspruchung an engen Radien bei nicht-zylindrischen Bauteilen
• Rückfederungskompensationsdesign - Berechnung der erforderlichen Überbiegung, um die Zielmaße zu erreichen
• Optimierung der Haltekraft der Ziehhalterplatte - Ermittlung von Druckprofilen, die das Prozessfenster maximieren
• Anordnung von Ziehkränzen - Prüfung von Haltekonfigurationen für komplexe Geometrien

Die Ressourcenhinweise zur Umformsimulation weisen darauf hin, dass virtuelle Kreisgitterdarstellungen mit tatsächlichen Kreisgitterversuchen verglichen werden können, um die Genauigkeit der Simulation zu bestimmen. Diese Korrelation zwischen virtuellen und physikalischen Ergebnissen stärkt das Vertrauen in simulationsgestützte Konstruktionsentscheidungen.

Nutzung professioneller, simulationsintegrierter Dienstleistungen

Obwohl Simulationssoftware zunehmend zugänglich geworden ist, ist zur Nutzung des maximalen Werts Fachkenntnis sowohl in den Softwarefunktionen als auch in den Grundlagen des Tiefziehprozesses erforderlich. Unternehmen im Bereich Tiefzieh-Stanzen heben sich zunehmend durch ihre Kompetenz in der Simulation ab.

Worauf sollten Sie bei Herstellern von Tiefziehmetallstanzteilen achten, die simulationsintegrierte Dienstleistungen anbieten? Die First-Pass-Zulassungsraten liefern eine konkrete Kennzahl. Wenn ein Werkzeugdesign-Partner eine First-Pass-Zulassungsquote von 93 % erreicht, sehen Sie das greifbare Ergebnis eines simulationsvalidierten Designs. Dieser Prozentsatz geht direkt in verkürzte Entwicklungszeiten, niedrigere Kosten für Werkzeugnachbearbeitungen und eine schnellere Produktionshochfahrt ein.

Qualitätszertifizierungen sind ebenso wichtig. Die IATF-16949-Zertifizierung stellt sicher, dass die Simulationsvalidierung in ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem mit dokumentierten Verfahren und konsistenter Umsetzung integriert ist. Die Simulation selbst ist nur von Wert, wenn sie korrekt mit realistischen Parametern durchgeführt wird.

Für automotive Anwendungen und andere anspruchsvolle Tiefziehprojekte stellen professionelle Werkzeugdesign-Dienstleistungen, die Simulation nutzen, bevor Stahl bearbeitet wird, einen strategischen Vorteil dar. Shaoyis Lösungen für Automotive-Stanzwerkzeuge demonstrieren diesen Ansatz, bei dem fortschrittliche CAE-Simulationsfähigkeiten mit schnellem Prototyping kombiniert werden, in nur fünf Tagen. Ihr Engineering-Team liefert simulationsbasiert validierte Werkzeuge, die auf die Standards der OEMs zugeschnitten sind, und reduziert so die kostspieligen Iterationen, die die herkömmliche Versuch-und-Irrtum-Entwicklung behindern.

Die IJERT-Studie kommt zu dem Schluss, dass Simulation wichtige Erkenntnisse über erforderliche Änderungen an der Matrize und dem Bauteil liefert, um eine vereinfachte und produktive Matrize zu erreichen. Normalerweise erfordert eine Umformmatrize verfeinerte Konstruktionsparameter, um einen reibungslosen Ablauf während der Erprobungsphase sicherzustellen. Die Simulation liefert diese verfeinerten Parameter, bevor Sie in physische Werkzeuge investieren.

Wenn Simulationsfähigkeiten in Ihren Konstruktionsprozess für Matrizen integriert sind, haben Sie die bedeutendste Ursache für Verzögerungen und Kosten in der Entwicklung bereits beseitigt. Der letzte Schritt besteht darin, geeignete Werkstoffe und Oberflächenbehandlungen für die Matrize auszuwählen, um sicherzustellen, dass Ihr validiertes Design über die gesamte Produktionsmenge hinweg eine konsistente Leistung erbringt.

Die Richtlinien zur Werkstoffauswahl und Oberflächenbehandlung

Sie haben Ihren Matrizenentwurf durch Simulation validiert und jeden Umformparameter optimiert. Nun kommt eine Entscheidung, die darüber bestimmt, ob Ihre Werkzeuge über Tausende von Teilen hinweg konsistente Ergebnisse liefern oder vorzeitig versagen: die Auswahl des Matrizenwerkstoffs. Die von Ihnen festgelegten Werkstoffe für Stempel, Matrize und Blechhalter beeinflussen direkt den Verschleiß, die Oberflächenqualität und letztendlich Ihre Kosten pro Bauteil über die gesamte Produktionsdauer.

Laut der ASM Handbook über Metallbearbeitung , die Auswahl des Werkstoffs für eine Zugformmatrize zielt darauf ab, die gewünschte Qualität und Menge an Teilen bei möglichst geringen Werkzeugkosten pro Teil herzustellen. Dieses Prinzip leitet jede Werkstoffentscheidung, die Sie treffen werden. Die verschleißfesteste Option ist nicht immer die beste. Sie müssen einen Ausgleich finden zwischen Anschaffungskosten, Wartungsanforderungen und der erwarteten Produktionsmenge.

Wahl des Werkzeugstahls für Komponenten von Tiefziehmatrizen

Tiefzieh-Metallumformprozesse setzen die Werkzeuge extremen Bedingungen aus. Die Auswerfer unterliegen bei jedem Hub einem abrasiven Kontakt. Stempel sind Druckbelastungen ausgesetzt und müssen dabei eine präzise Geometrie beibehalten. Matrizen müssen den Materialfluss führen und gleichzeitig dem Kalten, das beim Kontakt ähnlicher Metalle unter Druck auftritt, widerstehen.

Welche Faktoren sollten Ihre Auswahl des Werkzeugstahls bestimmen? Berücksichtigen Sie folgende Variablen:

• Produktionsvolumen - Prototypenserien mit geringer Stückzahl rechtfertigen andere Materialien als millionenfach produzierte Automobilbauteile
• Werkstoff - Das Tiefziehen von Edelstahl verursacht stärkeren Werkzeugverschleiß als von Baustahl oder Aluminium
• Komplexität des Teils - Komplexe Geometrien konzentrieren Spannungen an bestimmten Stellen, was eine erhöhte Verschleißfestigkeit erfordert
• Oberflächenbearbeitungsanforderungen - Dekorative Teile erfordern Werkzeuge, die während der gesamten Produktion ihre Politur beibehalten
• Wartungsfähigkeit - Einige Materialien erfordern spezielle Wärmebehandlungs- oder Schleifanlagen zur Instandsetzung

Das ASM-Handbuch zu Pressformen behandelt Produktionsvariablen, die die Auswahl zwischen metallischen, nichtmetallischen und sogar kunststoffbasierten Werkzeugwerkstoffen beeinflussen. Für Tiefziehanwendungen aus Metall dominieren Werkzeugstähle, wobei jedoch die spezifische Sorte eine entscheidende Rolle spielt.

Werkzeugwerkstoff	Anwendung	Härtebereich (HRC)	Verschleißfestigkeit	Beste Anwendungsfälle
D2 Werkzeugstahl	Werkzeuge, Stempel, Blechhalter	58-62	Exzellent	Hochdurchlaufproduktion; abrasive Materialien; Tiefziehen von Stahlblech
A2-Werkzeugstahl	Stempel, verschleißarme Werkzeuge	57-62	Gut	Mittlere Produktionsmengen; gute Zähigkeit für stoßartige Belastungen
M2 Schnellarbeitsstahl	Stempel, die Warmhärte erfordern	60-65	Sehr gut.	Hochgeschwindigkeitsanwendungen; Einsatz bei erhöhten Temperaturen
Karbid (Wolframkarbid)	Hochverschleißteile, Einsätze für Glättungsringe	75-80 (entspricht HRA)	Herausragend	Millionenstück-Laufzeiten; Tiefziehen von Edelstahl; präzise Abmessungen
Werkzeugstahl O1	Prototypenwerkzeuge, Stempel für kleine Stückzahlen	57-62	- Einigermaßen	Kurze Läufe; gute Bearbeitbarkeit; biegsame Metallbleche für Bastelanwendungen

Beachten Sie, wie sich die Produktionsmenge auf jede Auswahl auswirkt. Für Prototyp-Werkzeuge oder kurze Läufe mit biegsamen Metallblechen für Bastelarbeiten oder ähnliche Anwendungen mit geringem Volumen können O1 oder sogar Baustahl mit Oberflächenhärtung ausreichen. Für Serienfertigung im Automobilbereich werden D2 oder Hartmetalleinsätze trotz höherer Anfangskosten wirtschaftlich gerechtfertigt.

Überlegungen zur Materialpaarung zwischen Stempel und Matrize

Die Auswahl einzelner Komponenten reicht nicht aus. Die Wechselwirkung zwischen Stempel- und Matrizenmaterialien beeinflusst die Grübchenbildung, Verschleißmuster und die gesamte Werkzeuglebensdauer. Laut dem ASM Handbook stellt Grübchenbildung eine typische Ursache für Verschleiß bei Tiefziehwerkzeugen dar. Wenn ähnliche Materialien unter den Druck- und Gleitbedingungen eines Metallstanzdesigns in Kontakt kommen, treten mikroskopische Schweißungen und Abreißen auf.

Berücksichtigen Sie diese Kombinationsprinzipien:

• Vermeiden Sie identische Härte - Wenn Stempel und Matrize dieselbe Härte aufweisen, verschleißen beide schnell. Geben Sie eine Differenz von 2–4 HRC zwischen den Komponenten vor.
• Härtere Komponente berührt die kritische Oberfläche des Werkstücks - Wenn das äußere Erscheinungsbild des Teils am wichtigsten ist, sollte die Matrize härter sein. Ist die innere Oberfläche entscheidend, härten Sie den Stempel.
• Berücksichtigen Sie unterschiedliche Materialien - Halteklötze aus Bronze oder Aluminiumbronze in Kombination mit Matrizen aus Werkzeugstahl reduzieren die Neigung zur Grübchenbildung beim Ziehen von Aluminiumlegierungen.
• Passen Sie die Ausdehnungskoeffizienten an - Bei Präzisions-Tiefzieh-Metallstanzen sorgt eine ähnliche Wärmeausdehnung zwischen Stempel und Matrize für konstante Spielmaße während der Produktion.
• Berücksichtigung der Beschichtungskompatibilität - Einige Oberflächenbehandlungen wirken besser in Kombination mit bestimmten Matrizenstahl-Grundwerkstoffen.

Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen zur Verlängerung der Standzeit von Matrizen

Sogar der beste Werkzeugstahl profitiert von einer Oberflächenveredelung. Laut dem ASM Handbook , stehen Optionen wie Oberflächenbeschichtungen (z. B. Verchromung) und Oberflächenbehandlungen wie Aufkohlen oder Carbonitrieren bei niedriglegierten Stählen bzw. Nitrieren und physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Beschichtung) bei Werkzeugstählen zur Verfügung. Jede Behandlung gezielt gegen spezifische Verschleißmechanismen gerichtet.

Nitrieren diffundiert Stickstoff in die Stahloberfläche ein und erzeugt so eine harte Randschicht ohne Maßänderung. Wie AZoM erklärt, erhöht das Nitrieren die Verschleißfestigkeit und Härte der Werkzeugoberfläche. Es eignet sich besonders gut für Anwendungen mit abrasiven Materialien. Bei Tiefziehmatrizen verlängert das Nitrieren die Lebensdauer deutlich beim Umformen von beschichteten Stählen oder hochfesten Legierungen.

Chromüberzug bildet eine harte, reibungsarme Oberflächenschicht ab. Laut AZoM erhöht Hartverchromung die Oberflächenhärte erheblich und erreicht Werte bis zu 68 HRC. Sie ist besonders nützlich beim Umformen von Baustählen, Kupfer, Kohlenstoffstählen und Messing. Die glatte Chromoberfläche verbessert zudem die Teileentnahme und verringert den Schmiermittelbedarf.

Titan-Nitrid (TiN) die Beschichtung wird mittels physikalischer Gasabscheidung aufgebracht und bildet eine goldfarbene keramische Schicht. Laut AZoM gewährleistet die hohe Härte in Kombination mit geringen Reibungseigenschaften eine deutlich längere Standzeit. TiN reduziert die Neigung zur Kaltverschweißung erheblich und ist daher wertvoll beim Tiefziehen von Edelstahl, wo adhesive Abnutzung unbehandelte Werkzeuge herausfordert.

Titan-Carbonitrid (TiCN) bietet eine härtere, reibungsärmere Alternative zu TiN. Laut AZoM verfügt es über gute Verschleißfestigkeit in Kombination mit Zähigkeit und Härte. Für Metalltiefziehanwendungen, bei denen sowohl Abrasionsbeständigkeit als auch Schlagzähigkeit erforderlich sind, bietet TiCN ein ausgezeichnetes Gleichgewicht.

Titanaluminiumnitrid (TiAlN) überzeugt unter anspruchsvollen Bedingungen. AZoM beschreibt es als besonders oxidationsstabil und zäh, geeignet für höhere Drehzahlen und verlängert die Werkzeuglebensdauer. Bei der Serienfertigung von tiefgezogenen Metallteilen, bei der erhebliche Wärme entsteht, hält TiAlN seine Leistung aufrecht, wo andere Beschichtungen versagen.

Wann sich Hartmetalleinsätze durch ihren höheren Preis rechnen

Hartmetallwerkzeuge sind deutlich teurer als Werkzeuge aus gehärtetem Stahl. Wann amortisiert sich diese Investition? In mehreren Szenarien ist Hartmetall die wirtschaftlich überlegene Wahl:

• Stückzahlen über 500.000 Teile - Die längere Lebensdauer von Hartmetall verteilt die Anschaffungskosten auf ausreichend viele Teile, wodurch die Werkzeugkosten pro Stück sinken
• Engen dimensionsmäßigen Toleranzen - Die hohe Verschleißfestigkeit von Hartmetall erhält kritische Maße deutlich länger als Stahl und reduziert so die Notwendigkeit von Nachstellungen
• Schwierige, abrasive Werkstoffe - Hochfeste, niedriglegierte Stähle und rostfreie Stahlsorten beschleunigen den Verschleiß von Stahlwerkzeugen erheblich
• Ebenisierungsoperationen - Der starke Gleitkontakt während des Wandebenisierens zerstört Stahlwerkzeuge sehr schnell
• Empfindlichkeit gegenüber Ausfallzeiten - Wenn Produktionsunterbrechungen teurer sind als die Werkzeugkosten, rechtfertigt die Zuverlässigkeit von Hartmetall den höheren Preis

Stahlgebundene Hartmetalle bieten eine Zwischenlösung. Laut dem ASM Handbook liefern stahlgebundene Hartmetalle eine Verschleißfestigkeit, die der von Vollhartmetall nahekommt, bei besserer Zähigkeit und Bearbeitbarkeit. Für komplexe Matrizengeometrien, die in Vollhartmetall prohibitiv teuer wären, bieten stahlgebundene Alternativen eine hervorragende Leistung.

Produktionsvolumen und Wirtschaftlichkeit der Materialauswahl

Ihre erwartete Produktionsmenge beeinflusst die Materialentscheidungen grundlegend. Betrachten Sie diese Entwicklung:

Prototyp und geringe Stückzahlen (unter 1.000 Teile): Weiche Werkstoffe wie Baustahl oder Aluminium eignen sich für erste Versuche. Selbst nicht gehärteter Werkzeugstahl O1 kann ausreichen. Ziel ist die Validierung des Bauteildesigns, nicht die Maximierung der Werkzeuglebensdauer.

Mittlere Stückzahlen (1.000–100.000 Teile): Gehärtete Werkzeugstähle A2 oder D2 werden Standard. Oberflächenbehandlungen wie Nitrieren oder Verchromen verlängern die Lebensdauer, ohne hohe Anfangsinvestitionen zu erfordern.

Hochdurchsatz (100.000–1.000.000 Teile): Hochwertiger D2-Stahl mit PVD-Beschichtungen oder Hartmetalleinsätzen an kritischen Verschleißstellen. Die Kosten für Werkzeugänderungen während der Produktion rechtfertigen die höhere Anfangsinvestition in Material.

Massenproduktion (über 1.000.000 Teile): Hartmetalleinsätze, mehrere Ersatz-Werkzeugsätze und umfassende Programme zur Oberflächenbehandlung. Die Werkzeuge werden zu einem Investitionsgut, das eine Lebenszykluskostenanalyse erfordert.

Zusammenarbeit für umfassende Lösungen bei Werkzeugwerkstoffen

Die Auswahl des Werkzeugwerkstoffs steht nicht isoliert. Sie ist eingebunden in alle anderen Konstruktionsentscheidungen: Radienfestlegungen, Haltekraft, Oberflächenanforderungen und Produktionszeitplan. Erfahrene Partner im Werkzeugdesign betrachten die Werkstoffauswahl als Teil ganzheitlicher Werkzeuglösungen und gewichten Anschaffungskosten gegen die Leistung in der Produktion ab.

Was zeichnet leistungsfähige Partner aus? Achten Sie auf Ingenieurteams, die die Werkstoffauswahl bereits während der Konzeptentwicklung und nicht erst danach berücksichtigen. Die Möglichkeit zur schnellen Prototyperstellung innerhalb von nur fünf Tagen zeigt die Fertigungsflexibilität, um Materialoptionen praktisch bewerten zu können. Kostenoptimierte Werkzeugauslegung nach OEM-Standards spiegelt die Erfahrung wider, den Materialeinsatz den tatsächlichen Produktionsanforderungen anzupassen.

Shaoyis umfassende Fähigkeiten in der Formenkonstruktion und -fertigung veranschaulichen diesen integrierten Ansatz. Ihre IATF-16949-Zertifizierung stellt sicher, dass Entscheidungen zur Werkstoffauswahl dokumentierten Qualitätsverfahren folgen. Ob Ihre Anwendung Hartmetalleinsätze für die millionenfache Produktion von Edelstahl erfordert oder wirtschaftlich gehärteten Stahl für die Prototypenvalidierung – umfassende Dienstleistungen in der Werkzeugdesignauslegung bieten passgenaue Materiallösungen, die genau auf Ihre spezifischen Anforderungen abgestimmt sind.

Die Werkstoffauswahl vervollständigt Ihre Richtlinien für den Entwurf von Tiefziehwerkzeugen. Von der Berechnung des Ziehverhältnisses über die Simulation bis hin zur Werkstoffspezifikation verfügen Sie nun über die technische Grundlage, um Werkzeuge zu entwickeln, die bei unterschiedlichen Produktionsmengen durchgängig fehlerfreie Teile erzeugen.

Häufig gestellte Fragen zum Tiefziehwerkzeugbau

1. Welcher Stempelspielraum ist für Tiefziehvorgänge geeignet?

Der Stempelspielraum sollte 10–20 % größer als die Materialdicke sein, um Metallanhäufung an der Oberkante der Matrize zu vermeiden und gleichzeitig die Wandkontrolle beizubehalten. Bei einer Materialstärke von 0,040" beträgt der empfohlene Spielraum 0,044"–0,048". Engere Spielräume werden gezielt eingesetzt, um die Seitenwände zu glätten und eine gleichmäßige Dicke zu erreichen, während ein zu großer Spielraum zur Bildung von Wandfalten führt. Professionelle Werkzeugkonstrukteure wie Shaoyi nutzen CAE-Simulationen, um den Spielraum für spezifische Materialien und Geometrien zu optimieren und erreichen so eine Erstprüfgenehmigungsquote von 93 %.

2. Wie berechnet man die Ausgangsblechgröße beim Tiefziehen?

Berechnung der Zuschnittsgröße nach dem Volumenkonstanzprinzip: Die Oberfläche des Zuschnitts entspricht der Oberfläche des fertigen Teils. Bei zylindrischen Tiefziehteilen gilt die Formel Rb = √[Rf × (Rf + 2Hf)], wobei Rb der Zuschnittsradius, Rf der Cup-Radius und Hf die Cup-Höhe ist. Addieren Sie 2× Materialdicke für den Zuschnittszuschlag sowie 3–5 % zur Kompensation der Dickenminderung. Komplexe Geometrien erfordern eine genaue Berechnung der Oberfläche mithilfe von CAD.

3. Was verursacht Wellenbildung und Reißen bei tiefgezogenen Teilen?

Wellenbildung entsteht durch unzureichenden Halterkraftdruck, wodurch eine Druckknickung in der Flanschzone möglich ist. Reißstellen treten auf, wenn die Halterkraft zu hoch ist oder die Werkzeugradien zu klein sind, was den Materialfluss behindert und zu einer Zugspannung führt, die die Werkstofffestigkeit in der Nähe der Stempelspitze überschreitet. Abhilfe schaffen eine schrittweise Anpassung der Halterkraft, Vergrößerung der Stempel-/Matrizenradien auf das 4- bis 10-fache der Materialdicke sowie eine verbesserte Schmierung. Durch Simulation validierte Konstruktionen verhindern diese Fehler bereits vor der Werkzeugfertigung.

4. Wie viele Ziehstufen sind für das Tiefziehen erforderlich?

Die Anzahl der Stufen hängt vom gesamten Reduktionsprozentsatz ab. Bei der ersten Ziehung werden 45–50 % Reduktion erreicht, bei nachfolgenden Ziehungen jeweils 25–30 % und 15–20 %. Berechnen Sie die erforderlichen Stufen, indem Sie die benötigte Gesamtreduktion (von der Ausgangsscheiben-Durchmesser zur Enddurchmesser) ermitteln und diese durch die materialspezifischen Grenzwerte pro Stufe teilen. Bauteile mit einem Tiefenzu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 1,0 erfordern in der Regel mehrere Stufen. Planen Sie eine Zwischenglühung ein, wenn die kumulative Reduktion je nach Material 30–45 % überschreitet.

5. Welche Angaben werden für Stempel- und Matrizenradien empfohlen?

Der Stanzstempel-Nasenradius sollte 4-10× die Materialdicke betragen, um die Spannung zu verteilen und Risse zu vermeiden. Der Matrizen-Eintrittsradius erfordert 5-10× die Dicke für einen gleichmäßigen Materialübergang. Dünnere Bleche benötigen größere Radiusvielfache. Für Materialstärken von 0,030"-0,060" ist ein Stempelradius von 5-8× und ein Matrizenradius von 6-10× der Dicke anzugeben. Bei nicht-zylindrischen Teilen sind minimale Inneneckradien von 2× der Dicke erforderlich, wobei 3-4× empfohlen werden, um die Umformstufen zu reduzieren.