Zusammenfassung

Faltenbildung beim Metallstanzen wird hauptsächlich verursacht durch druckbeanspruchte Umfangsspannungen im Flanschbereich, da der Rohlingdurchmesser auf den Cup-Durchmesser verkleinert wird. Wenn das Material nicht in sich verdichten kann, kommt es zur Beulung.

Die wirksamste Vorbeugemaßnahme ist die Anwendung des richtigen Haltekraft (BHF) blechhalterdrucks, um den Materialfluss einzuschränken, ohne zu reißen. Für Stahl beträgt der Druck etwa 2,5 N/mm² und ist die übliche Referenzgröße. Sekundäre Maßnahmen umfassen den Einsatz von ziehnut mechanischen Stanzwerkzeugen, um den Fluss in komplexen Bereichen zu kontrollieren, und sicherzustellen, dass stoßkantenradien die Stanzspalte optimiert sind (nicht zu groß), um Zugspannung aufrechtzuerhalten. Bediener sollten darauf achten, den Flusswiderstand mit dem Grenzziehverhältnis (LDR) des Materials auszugleichen.

Die Physik der Faltenbildung: Warum Metall beult

Um Faltenbildung wirksam zu verhindern, müssen Ingenieure zunächst den Mechanismus von druckinstabilität verstehen. Bei der Tiefziehoperation wird ein flaches Blech in eine dreidimensionale Form umgeformt. Während das Material vom äußeren Rand der Ausgangsform in den Matrizenhohlraum fließt, nimmt der Umfang ab. Diese Verringerung zwingt das Material, sich tangential (im Sinne von Ringspannung) zusammenzudrücken. Übersteigt diese Druckspannung die kritische Beulspannung des Materials, wellt oder faltet sich das Metall und bildet Falten.

Dieses Phänomen wird durch das Grenzziehverhältnis (LDR) bestimmt – die Beziehung zwischen dem Ausgangsblechdurchmesser und dem Stempeldurchmesser. Wenn das Ausgangsblech im Verhältnis zum Stempel zu groß ist, sammelt sich zu viel Material im Flanschbereich an, was zu einer erheblichen Dickenzunahme führt. Wenn der Spalt zwischen Matrizenoberfläche und Blechhalter nicht streng kontrolliert wird, um diese Dickenzunahme auszugleichen (üblicherweise nur 10–20 % Spiel über der Nenndicke zugelassen), beult das Material in den freien Raum hinein aus.

Faltenbildung tritt in zwei Hauptformen auf: Falzenwellen (Erster Ordnung), die im Bereich unter dem Halter auftreten, und Wandwellen (Zweiter Ordnung), die in der nicht unterstützten Region zwischen dem Matrizenradius und dem Stempelradius auftreten. Die Identifizierung der Entstehungsstelle der Welle ist der erste Schritt bei der Diagnose: Falzenwellen deuten auf unzureichenden Halterdruck hin, während Wandwellen oft auf zu große Matrizenradien oder eine schlechte Materialanpassung hindeuten.

Primäre Lösung: Optimierung der Blechhalterkraft (BHF)

Die Blechhalter (oder Halter) ist die primäre Einstellgröße zur Vermeidung von Wellen. Ihre Funktion besteht darin, ausreichenden Druck auf den Flansch auszuüben, um Beulenbildung zu verhindern, während gleichzeitig das Material in die Matrize fließen kann. Ist der Druck zu niedrig, bilden sich Wellen; ist er zu hoch, reißt das Material (Bruch), da es nicht mehr fließen kann.

Gemäß branchenüblichen Standards variiert der erforderliche spezifische Druck je nach Werkstofftyp erheblich. Eine praktische Faustregel für die Ersteinrichtung lautet:

• Stahl: ~2,5 N/mm²
• Kupferlegierungen: 2,0 – 2,4 N/mm²
• Aluminiumlegierungen: 1,2 – 1,5 N/mm²

Ingenieure sollten die erforderliche Kraft basierend auf der projizierten Fläche des Flansches unter dem Halter berechnen. Es ist ratsam, einen Sicherheitsfaktor von etwa 30 % diese Berechnung in der Entwurfsphase hinzuzufügen, da es einfacher ist, den Druck in der Presse zu verringern, als mehr Kraft zu erzeugen, als das Design zulässt.

Bei komplexen Teilen reicht ein gleichmäßiger Druck oft nicht aus. Fortschrittliche Anlagen nutzen druckwechselsysteme (hydraulische oder Stickstoffkissen), die die Kraft während des Hubes anpassen können – zunächst mit hohem Druck, um den Flansch zu fixieren, und anschließend mit reduziertem Druck, wenn sich das Teil vertieft, um Risse zu vermeiden. Die Verwendung von standoffs oder ausgleichsblöcken (Anschlagblöcken) ist entscheidend, um einen präzisen Spalt beizubehalten, der geringfügig dicker als das Material ist, sodass der Halter das Blech nicht einfach zerquetscht, sondern es kontrolliert zurückhält.

Werkzeugauslegungssteuerung: Ziehlinien und Radien

Wenn allein der Druck den Materialfluss nicht kontrollieren kann – was häufig bei asymmetrischen Automobilteilen der Fall ist – ziehnut sind die erforderliche ingenieurtechnische Lösung. Ziehkränze sind erhabene Rippen auf der Halteplatte, die das Material zwingen, sich zu biegen und wieder zu entbiegen, bevor es in den Hohlraum des Werkzeugs eintritt. Diese mechanische Wirkung erzeugt eine von der Reibung unabhängige Haltekraft, wodurch eine präzise lokale Fließkontrolle ermöglicht wird.

Die Geometrie des werkzeugradius ist ebenso entscheidend. Ein zu kleiner Radius behindert den Materialfluss und verursacht Risse, während ein Radius, der zu groß ist, zu groß die Kontaktfläche und die wirksame Spannung in der Flanschzone verringert, wodurch das Material zu ungehindert fließen kann und Faltenbildung begünstigt wird. Der Werkzeugradius muss perfekt poliert und geometrisch genau ausgeführt sein, um den „idealen Spannungsbereich“ aufrechtzuerhalten.

Darüber hinaus ist die Steifigkeit des Werkzeugs selbst von Bedeutung. Wenn die die Schablone werkzeugplatte nicht dick genug ist, kann sie unter der Presskraft verformen, wodurch eine ungleichmäßige Druckverteilung entsteht. Führungsbolzen müssen robust genug sein, um jegliche seitliche Bewegung der oberen und unteren Werkzeuge zu verhindern, da dies zu inkonsistenten Spalten und lokal begrenzten Wellenbildung führen würde.

Prozessparameter: Schmierung und Werkstoffauswahl

Reibung ist bei der Tiefzieherei ein zweischneidiges Schwert. Während schmierung sie unerlässlich ist, um Kaltverschweißung und Risse zu verhindern, kann übermäßige Schmierwirkung (zu viel Gleitfähigkeit) tatsächlich die Bildung von Falten verschlechtern wenn die Haltekraft nicht erhöht wird, um dies auszugleichen. Das Material fließt so leicht, dass die Matrize nicht genügend Reibung erzeugen kann, um den Knickkräften entgegenzuwirken. Stellen Sie sicher, dass das Schmiermittel gleichmäßig aufgetragen wird und die Düsen fest positioniert sind.

Materialien Eigenschaften bestimmen ebenfalls das Prozessfenster. Bei Anwendungen mit Edelstahl kann der Austausch von Standard- 304mit mit einem Gehalt an die Umformbarkeit erheblich verbessern. 304L weist eine niedrigere Streckgrenze (ca. 35 KSI gegenüber 42 KSI bei 304) auf, was bedeutet, dass es dem Fließen weniger widersteht und langsamer sich verfestigt, wodurch die Kraft verringert wird, die erforderlich ist, um es plan zu halten. Prüfen Sie immer, ob das Rohmaterial als „Deep Draw Quality“ (DDQ) spezifiziert ist, um die Anisotropie zu minimieren.

Selbst bei perfektem Design ist die technische Leistungsfähigkeit Ihres Fertigungspartners ein limitierender Faktor. Bei Serienbauteilen für die Automobilindustrie wie beispielsweise Querlenkern oder Subrahmen ist Präzision zwingend erforderlich. Hersteller wie Shaoyi Metal Technology setzen Pressen mit Kapazitäten bis zu 600 Tonnen und verfügen über die IATF-16949-Zertifizierung, um die Lücke zwischen schnellem Prototyping und Serienproduktion zu schließen. Die Zusammenarbeit mit einem Spezialisten stellt sicher, dass theoretische BHF-Berechnungen durch die tatsächliche Ausrüstungsleistung unterstützt werden und verhindert Fehler, bevor sie die Montagelinie erreichen.

Fehlerbehebungs-Checkliste: Ein Schritt-für-Schritt-Protokoll

Wenn Falten auf der Produktionslinie auftreten, folgen Sie diesem systematischen Diagnoseablauf, um die Ursache einzukreisen:

1. Überprüfen Sie die Presse: Prüfen Sie auf verschlissene Gibs oder Nichtparallelität des Rammes. Wenn der Ram nicht gerade herunterfährt, ist die Druckverteilung ungleichmäßig.
2. Materialspezifikationen überprüfen: Ist die Materialdicke konsistent? Messen Sie den Rand der Bandrolle; bereits Abweichungen von 0,003 Zoll können den Halterabstand beeinflussen.
3. Prüfen Sie die Abstandshalter: Stellen die Anschlagblöcke den korrekten Spalt ein? Wenn sie abgenutzt oder lose sind, könnte der Halter „aufsitzen“, bevor er Kraft auf das Blech ausübt.
4. BHF schrittweise anpassen: Erhöhen Sie den Halterdruck in kleinen Schritten. Wenn Falten weiterhin auftreten, aber Rissbildung beginnt, haben Sie das Prozessfenster zu sehr verkleinert – prüfen Sie Zugbänder oder Schmierungsänderungen.
5. Schmierung überprüfen: Prüfen Sie, ob die Schmierstoffmischung zu konzentriert ist oder im Flanschbereich zu stark aufgetragen wird.
6. Werkzeugoberfläche untersuchen: Suchen Sie nach Materialübertrag (Galling) an den Zügen oder Radien, das eine ungleichmäßige Reibung verursachen könnte.

Beherrschung des Materialflusses

Das Verhindern von Faltenbildung geht nicht darum, Kräfte zu eliminieren, sondern darum, sie präzise zu steuern. Erforderlich ist ein ganzheitlicher Ansatz, der die Physik der Ringspannung mit den ingenieurtechnischen Steuergrößen wie Halterkraft, Werkzeuggeometrie und Werkstoffauswahl in Einklang bringt. Indem der Umformprozess als System miteinander wirkender Variablen und nicht als isolierte Schritte betrachtet wird, können Hersteller konsistente, fehlerfreie tiefgezogene Bauteile erreichen.

Erfolg liegt in den Details: die präzise Berechnung des Drucks in N/mm², die strategische Platzierung der Ziehkränze und die Disziplin, den Pressen- und Werkzeugzustand beizubehalten. Mit diesen Kontrollmaßnahmen können selbst die komplexesten Geometrien zuverlässig geformt werden.

Häufig gestellte Fragen

1. Wie berechne ich die korrekte Haltekraft?

Die Grundlagenberechnung erfolgt durch Multiplikation der Flanschfläche (unterhalb des Halterings) mit dem spezifischen für das Material erforderlichen Druck. Für unlegierten Stahl verwenden Sie etwa 2,5 N/mm² (MPa). Fügen Sie stets einen Sicherheitszuschlag (z. B. +30 %) zu Ihren Pressenkapazitätsanforderungen hinzu, um Anpassungen während des Abformprozesses zu ermöglichen.

2. Kann zu viel Schmiermittel Faltenbildung verursachen?

Ja. Schmiermittel verringern die Reibung, welche eine der Kräfte ist, die den Materialfluss hemmt. Wenn die Reibung signifikant sinkt, ohne dass gleichzeitig die Haltekraft erhöht wird, kann das Material zu ungehindert in den Formhohlraum fließen, was zu Beulen und Falten führt.

3. Was ist der Unterschied zwischen Verknittern und Reißen?

Faltenbildung und Reißen sind entgegengesetzte Ausfallarten. Faltenbildung wird verursacht durch übermäßige Kompression und unzureichende Materialflussbegrenzung (lockeres Material). Das Reißen (Aufreißen) wird verursacht durch übermäßige Zugspannung und zu starke Materialflussbegrenzung (enges Material). Das Ziel des Umformers ist es, das „Prozessfenster“ zwischen diesen beiden Fehlern zu finden.