Kaltmassivumformung oder CNC-Drehen: Kosten, Festigkeit und Losgrößen im Vergleich

1. Warum Konstrukteure beide Verfahren kennen müssen

Der einfachste Weg, einen Einkäufer in die Irre zu führen, ist die Prozessroute. Dieselbe Zylinderschraube M6×20 kostet in einem Werk 0,12 ¥ und in einem anderen 0,35 ¥ — ein Faktor drei, der meist nichts mit Werkstoff oder Qualität zu tun hat. Die eine ist kaltumgeformt, die andere gedreht.

Eine Erhebung von Primetzhofer & Associates aus dem Jahr 2024 unter 47 Einkäufern für Verbindungselemente ergab, dass 62 % der Konstrukteure bei der ersten Anfrage kein Fertigungsverfahren angeben und das Angebot daher dem entspricht, was dem Lieferanten gerade passt. Oberhalb von 100.000 Stück pro Jahr summiert sich diese Differenz jährlich auf einen Betrag in fünfstelliger Höhe.

Wichtiger noch: Das Verfahren bestimmt Ermüdungslebensdauer, Maßhaltigkeit und Mindestbestellmenge. Eine gedrehte statt kaltumgeformte Schraube M3×8 für ein Robotergelenk erreicht unter Umständen nur 60 % der Ermüdungslebensdauer des Kopfes — und bei 10⁷ Lastwechseln ist das der Unterschied zwischen einem Gelenk, das zwei Jahre hält, und einem, das zehn Jahre hält.

Dieser Beitrag vergleicht Kaltmassivumformung und CNC-Drehen hinsichtlich Prinzip, Kosten, Festigkeit, Losgröße, Größenbereich und Werkstoff und endet mit einer Entscheidungstabelle, die sich neben die Zeichnung legen lässt.

2. Die Physik der beiden Verfahren

2.1 Kaltmassivumformung

Draht wird bei Raumtemperatur vom Coil abgeschnitten und über mehrere Matrizenstationen eines schnelllaufenden Umformautomaten geführt. Der Schlagdruck formt das Metall ohne Erwärmung, sodass der Faserfluss der Bauteilkontur durchgehend folgt.

Ein typischer Umformautomat mit drei Stationen:

1. Station 1 — Abscheren: Der Coil wird auf Länge geschert.
2. Station 2 — Vorformen: Ein Ende wird gestaucht und der Kopf vorgeformt.
3. Station 3 — Fertigformen: Die endgültige Kopfgeometrie (Innensechskant, Sechskant, Flachkopf, Zylinderkopf).

Das Gewinde wird anschließend bei Raumtemperatur gewalzt, nicht geschnitten.

Typische Anlagen: Chang Hong (Taiwan), Kyowa, Sakamura (Japan), HBF (Korea). Ein inländischer Automat mit drei Stationen kostet 300.000–800.000 ¥, eine importierte Mehrstationenmaschine 2–5 Mio. ¥, die Leistung liegt bei 80–300 Stück pro Minute.

2.2 CNC-Drehen

Stangenmaterial wird im Futter gespannt, und der Werkstoff wird mit einem rotierenden Werkzeug schrittweise zerspant, bis das Profil fertig ist.

Typischer Ablauf:

1. Stange wird in die Spindel geführt und auf Länge geschnitten.
2. Schaft auf Durchmesser gedreht.
3. Planfläche und Fase bearbeitet.
4. Zweite Aufspannung: Kopfprofil gedreht, Innensechskant gefräst.
5. Gewinde gedreht oder in einem zweiten Arbeitsgang gewalzt.

Langdrehautomaten (Tornos, Star, Citizen L20) übernehmen Mikroteile; Mazak und Tsugami decken die größeren Abmessungen ab. Ein Langdrehautomat kostet 400.000–800.000 ¥ und arbeitet mit Taktzeiten von 30 Sekunden bis 3 Minuten pro Teil.

2.3 Das Gewinde wird gewalzt, nicht gedreht

3. Sechs Dimensionen im Vergleich

3.1 Materialausnutzung

Die Kaltmassivumformung verformt das Metall, statt es abzutragen, daher liegt die Ausnutzung typischerweise über 95 %, der Verlust beschränkt sich auf den Abschnitt. Drehen trägt Werkstoff ab, die Ausnutzung liegt bei 30–50 %: Ein Stab von 10 mm, auf M6 heruntergedreht, bleibt überwiegend als Span zurück.

Eine Beispielrechnung. Edelstahldraht 304 kostet 2026 etwa 28 ¥/kg, eine Schraube M6×20 wiegt 2,2 g.

• Kaltumformung: 2,3 g Einsatzmaterial, 0,064 ¥ Materialkosten.
• Drehen: 4,5 g Einsatzmaterial bei 50 % Ausnutzung, 0,126 ¥ Materialkosten.

Allein der Werkstoff verdoppelt sich. Bei einer Million Stück pro Jahr sind das 620.000 ¥ Unterschied — vor Abschreibung, Lohn und Energie.

3.2 Stückkosten in Serie

Reale Angebote aus 2026 für eine Zylinderschraube M6×20 in Südchina (einschließlich 17 % Umsatzsteuer, ohne Beschichtung):

Dies sind Werte für Edelstahl 304. Kaltumgeformte Teile aus Kohlenstoffstahl sind noch günstiger: 0,03–0,05 ¥ bei einer Million Stück.

3.3 Taktzeit und Lieferzeit

Nach dem Einrichten arbeitet ein Umformautomat im Sekundentakt: 120–200 Hübe pro Minute, 7.000–12.000 Stück pro Stunde. Eine Million Stück bedeuten eine Maschine für einen Tag.

Ein Langdrehautomat arbeitet im Minutentakt: 30 Sekunden bis 2 Minuten pro Teil, 30–120 Stück pro Stunde. Eine Million Stück erfordern zehn Maschinen für einen Monat.

Der Preis dafür ist Vorlaufzeit: Matrizen für die Kaltumformung benötigen 7–15 Tage Fertigung und 2–3 Tage Einrichtung. CNC liefert ein Erstmuster am selben Tag und die Serie am nächsten.

3.4 Dauerfestigkeit

Dies ist der am stärksten unterschätzte Vorteil der Kaltmassivumformung. Der Faserfluss verläuft durchgehend um die Kontur, die Fließlinie wird nie durchtrennt. Das Drehen trennt sie und hinterlässt Spannungsspitzen am Gewindegrund und am Halbrund unter dem Kopf.

Yang et al. (2019) verglichen die axiale Ermüdungslebensdauer von Schrauben M10 der Klasse 10.9 aus beiden Fertigungswegen:

• Kaltumgeformt: 1,8×10⁷ Lastwechsel bei 120 MPa Spannungsamplitude.
• Gedreht: 1,1×10⁷ Lastwechsel.

Rund 40 % — und bei Pleuelschrauben, Turmflanschschrauben oder Robotergelenkschrauben mit 10⁷ Lastwechseln ist das der Unterschied in der sicheren Lebensdauer. Deshalb empfiehlt ISO 898-1 die Kaltmassivumformung für die Klassen 8.8 und höher, und deshalb verlangen Luftfahrtnormen wie die HB-Reihe sie ausdrücklich.

3.5 Mindestbestellmenge

Die Werkzeugkosten sind die harte Schwelle für ein kaltumgeformtes Teil. Für eine Zylinderschraube M6:

• Vorform-, Fertig- und Abgratmatrize: insgesamt 5.000–15.000 ¥.
• Sonderköpfe (Zylinderkopf, Flachkopf, Flanschkopf): 10.000–30.000 ¥.
• Gewindewalzbacken: 1.000–3.000 ¥.

Wird das Werkzeug mit etwa 10 % der Stückkosten kalkuliert, ergeben sich Jahresstückzahlen von 5.000–10.000 Stück oder mehr. Darunter macht die Werkzeugamortisation die Kaltumformung teurer als das Drehen.

Das Drehen benötigt kein Werkzeug, nur Programmierung (typisch 200–500 ¥ pro Teil), und nimmt 50 Stück an.

3.6 Größenbereich

4. Wo die Kosten tatsächlich liegen

Die Aufteilung einer Schraube M6×20 in fünf Kostenblöcke zeigt, wohin das Geld fließt:

5. Wann CNC zwingend ist

5.1 Ungewöhnliche Köpfe

Die Kaltmassivumformung eignet sich für rotationssymmetrische oder einfach drehsymmetrische Köpfe (Innensechskant, Sechskant, Zylinderkopf, Flachkopf, Flansch). Die folgenden Merkmale steigern die Werkzeugkomplexität exponentiell:

• Eine gefräste Schlüsselfläche an einer Kopfseite zur Verdrehsicherung
• Exzentrische oder unrunde Bohrungen im Kopf
• Angestellte Köpfe, etwa 45°
• Ein Kopf, der mehr als das Dreifache des Schaftdurchmessers misst

CNC fertigt diese in einer Aufspannung; die Kaltumformung benötigt Verbundmatrizen ab 50.000 ¥ aufwärts.

5.2 Unrunde Schäfte

Vierkant-, Sechskant- oder Stufenschäfte, Gewindebolzen mit Gewinde an beiden Enden und Sechskantmitte, Kugelkopfschrauben, Sonderteile mit Flansch — alles Dreharbeit.

5.3 Sehr kleine Serien (unter 5.000)

Werkzeugkosten von 5.000–30.000 ¥, auf 5.000 Stück verteilt, ergeben 1–6 ¥ pro Teil und damit einen schlechteren Wert als beim Drehen. Prototypen und Vorserien gehen direkt in die CNC-Fertigung.

5.4 Schwierige Werkstoffe

Die Kaltmassivumformung erfordert gute Kaltumformbarkeit: SWRCH-Güten, ML08–ML35, 304HC. Schwierig oder unmöglich sind:

• Kohlenstoffstähle über C45 (Risse)
• Titanlegierungen (hohe Fließspannung, Matrizenstandzeit bricht ein)
• Ausscheidungshärtende Edelstähle wie 17-4PH und A286
• Berylliumkupfer

5.5 Große Abmessungen über M24

Umformautomaten über M24 benötigen 200 Tonnen Kraft, nur wenige Werke verfügen darüber, und die Matrizen sind teuer. Oberhalb von M24 lautet der Weg CNC oder Warmschmieden.

6. Wann die Kaltmassivumformung gewinnt

6.1 Standardteile in Serie (über 10.000)

Standard-Innensechskant-, Sechskant-, Flachkopf- und Senkkopfschrauben von M3 bis M12 über 10.000 Stück pro Jahr: Kaltmassivumformung, ohne Diskussion.

6.2 Ermüdungskritische Teile

Pleuelschrauben, Hauptlagerschrauben, Turmflanschschrauben, Robotergelenkschrauben — alles oberhalb von 10⁶ Lastwechseln. Ein gedrehtes Teil gleicher Abmessung erreicht unter Umständen nur 60 % der Lebensdauer.

6.3 Mikro-Präzisionsschrauben (M1.0–M2.0)

Viele nehmen an, Mikroschrauben würden gedreht. Die etablierten Mikroschraubenwerke arbeiten mit Mikroumformern: 200–400 Flachkopf-, Senkkopf- oder Zylinderkopfschrauben pro Minute, während CNC Mühe hat, zwei zu fertigen.

6.4 Mehrstufige Verbundteile

Ein moderner Umformautomat kann in einem Durchlauf trennen, stauchen, reduzieren, abgraten, lochen und formen. Stufenschrauben, Flanschschrauben und gelochte Bolzen fallen in einem Zyklus an, während CNC drei bis fünf Arbeitsgänge benötigt.

7. Der Hybridweg: was Fabriken wirklich tun

Nur sehr wenige Teile sind rein kaltumgeformt oder rein gedreht. Der Hauptweg lautet: Grundkörper kaltumformen, Details zerspanen:

1. Kaltmassivumformung: Kopf und Schaft vorformen.
2. Gewindewalzen: Gewinde formen.
3. Zweiter CNC-Arbeitsgang: Schlüsselflächen, Nuten, Querbohrungen, Plandrehen, Fasen.
4. Wärmebehandlung: Vergüten für die Klassen 8.8 und höher.
5. Oberflächenbehandlung: Verzinkung, Geomet, Zink-Nickel.

Beispiel Werkzeugschrauben aus dem eigenen Katalog: 90 % sind kaltumgeformt, anschließend fräst CNC die Schlüsselfläche am Grund des Innensechskants und dreht den Schaft auf Toleranz, danach wird das Gewinde gewalzt. Reine Kaltumformung kann die Schlüsselfläche nicht erzeugen, reines Drehen ist zu teuer.

8. Häufige Missverständnisse

9. Häufige Fragen: zehn Fragen aus der Praxis

F1. M6×20, 50.000 Stück pro Jahr — Kaltumformung oder CNC?

Kaltumformung. Werkzeugkosten von etwa 8.000 ¥ auf 50.000 Stück ergeben 0,16 ¥ pro Teil, die Hälfte der 0,40 ¥ beim Drehen.

F2. Ausgelegt ist eine M5 mit Schlüsselfläche, für die erste Bestellung werden nur 2.000 Stück gebraucht. Wie weiter?

2.000 Stück auf CNC fertigen, um zu validieren, und dem Lieferanten mitteilen, dass innerhalb eines Jahres 50.000 Stück zusammenkommen, damit die Matrize parallel geschnitten wird. Die nächste Charge läuft dann direkt kaltumgeformt.

F3. Warum hat eine kaltumgeformte Schraube eine Trennlinie?

Es ist die Gratlinie, an der die beiden Matrizenhälften zusammentreffen. Normal. Ab 0,05 mm deutet sie auf Matrizenverschleiß oder ein Einrichtproblem hin.

F4. Lassen sich mit Kaltumformung Schrauben unter M1.0 herstellen?

M0.6–M1.0 ist die Verfahrensgrenze. Der übliche Weg ist ein kaltumgeformter Kopf mit gedrehtem Schaft. Unter M0.6 wird nahezu alles auf Langdrehautomaten gefertigt.

F5. Warum sind Titanschrauben so teuer?

Titan lässt sich schlecht kaltformen, die Matrizenstandzeit liegt bei einem Fünftel der von Stahl, und die Teile neigen zu Rissen. 99 % werden gedreht, bei 40 % Materialausnutzung — daher der Preis.

F6. Lassen sich Schrauben der Klasse 10.9 drehen?

Ja, doch die Ermüdungslebensdauer liegt 30 % niedriger. Normen der Automobilhersteller verlangen ab 10.9 die Kaltumformung; nur Ersatzteile für den Aftermarket werden gedreht.

F7. Wie lässt sich das Verfahren an einem Teil erkennen?

An den Fließlinien. Ein kaltumgeformtes Teil zeigt nach dem Ätzen einen durchgehenden Fluss im Übergang vom Kopf zum Schaft; ein gedrehtes Teil zeigt Werkzeugmarken unter dem Kopfradius und meist eine Zentrierung auf der Kopfstirnfläche.

F8. Wie lange halten Matrizen für die Kaltumformung?

Kohlenstoffstahl 200.000–500.000 Stück; Edelstahl 50.000–150.000; legierter Stahl 30.000–80.000. Verschleiß zeigt sich als Grate und als unregelmäßiger Halbrund unter dem Kopf.

F9. Lässt sich mit Kaltumformung ein Sondergewindeprofil herstellen?

Das Gewinde wird gewalzt, und Walzbacken lassen sich für jedes Profil fertigen. Unter 10.000 Stück spricht der Werkzeugpreis (3.000–8.000 ¥) meist für das Gewindeschneiden.

F10. Gibt es einen Unterschied beim CO₂-Fußabdruck?

Ja. Die Kaltumformung benötigt etwa ein Fünftel der Energie des Drehens (kein Kühlmittel, wenig Materialabtrag) und rund 40–60 % weniger graue Emissionen. Unter EU-CBAM und EPD-Erklärungen wirkt sich das auf die Exportkosten aus.

10. Normen und Referenzen

Chinesische Normen

• GB/T 3098.1 Mechanische Eigenschaften von Schrauben und Gewindebolzen
• GB/T 699 Qualitäts-Kohlenstoffbaustähle
• GB/T 1231 Hochfeste große Sechskantschrauben, Muttern und Scheiben für Stahlbauten

Internationale Normen

• ISO 898-1 Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen
• SAE J429 Mechanische und Qualitätsanforderungen an Verbindungselemente
• ASTM F606 Standardprüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen mit Außen- und Innengewinde

Wesentliche Literatur

• Yang X., Zhu L., He L. Fatigue performance comparison of cold-forged and CNC-turned high-strength bolts. Chinese Journal of Aeronautics, 2019.
• Pretty C. Cold heading vs. CNC: a cost-benefit analysis for high-volume fastener production. Primetzhofer & Associates, 2024.
• ASM Handbook Vol. 14A: Metalworking: Bulk Forming. ASM International, 2005.