Werkzeuge für die Kaltmassivumformung: Werkstoff, Auslegung und Standzeit

1. Ein Stempel, der immer wieder brach

Im Jahr 2022 fertigte ein Werk für Verbindungselemente in Ostchina eine Zylinderschraube mit Innensechskant M6 × 20 aus 10B21. Zwei Stunden nach Schichtbeginn brach der Stempel. Er wurde ersetzt, lief eine weitere Stunde und brach erneut. Fünf Stempel in Folge.

Die Untersuchung ergab drei Punkte:

1. Der Stempel bestand aus SKH-9, doch die Umformreduktion war viel zu aggressiv – ein Stauchverhältnis des Kopfes von etwa 3:1.
2. Der Stempel hatte keinen Freiwinkel und keinen Radius am Übergang, sodass sich die Spannung genau dort konzentrierte, wo er brach.
3. Die Schmierung war unzureichend, daher lief der Stempel heiß und verlor an der Spitze an Härte.

Die Abhilfe waren ein Stempel aus Hartmetall (YG20C), ein Freiwinkel R 0,5 und eine höhere Sprühfrequenz des Öls. Die Standzeit stieg von 20.000 auf 500.000 Teile.

Die Lehre daraus: Bei Werkzeugen für die Kaltmassivumformung geht es nicht um die Frage „ausreichend harter Stahl“. Es ist ein System aus Werkstoff, Geometrie und Schmierung. Dieser Beitrag stützt sich auf VDI 3355, Handbücher zur Kaltmassivumformung und zwanzig Jahre Fertigungserfahrung.

2. So arbeitet die Kaltmassivumformung

Die Kaltmassivumformung führt Draht von der Rolle bei Raumtemperatur einem Mehrstufenformer zu:

1. Zuführen und Trennen: Der Draht wird automatisch zugeführt und auf eine feste Länge abgeschert.
2. Einebnen: Die erste Stufe flacht das Schnittende ab.
3. Umformen: Die zweite Stufe staucht den Kopf – Sechskant, zylindrisch oder Senkkopf.
4. Lochen: Die dritte Stufe stößt den Innensechskant ein.
5. Reduzieren: Die vierte Stufe reduziert den Schaft auf den Gewindedurchmesser.

Alles geschieht bei Raumtemperatur, sodass der Stahl plastisch fließt. Je größer die Umformung, desto höher die Belastung des Werkzeugs.

Stauchverhältnis

Stauchverhältnis = Kopfquerschnitt ÷ Drahtquerschnitt. Faustregeln:

• Bis 2:1 – unkritisch mit Standardwerkzeugen.
• 2:1 bis 2,5:1 – mittel; die Werkzeugqualität beginnt eine Rolle zu spielen.
• Über 2,5:1 – kritisch; erfordert Hartmetall oder eine zweistufige Umformfolge.

3. Die drei Werkzeugwerkstoffe

Auswahl

• Unter 100.000 Teilen: SKH-9 genügt und verursacht die geringsten Gesamtkosten.
• 100.000 bis 1.000.000 Teile: DC53 oder ASP23 – die zusätzliche Härte und Zähigkeit amortisiert sich.
• Über 1.000.000 Teile: Hartmetall. In der Anschaffung teuer, pro Teil am günstigsten.

Der Übergangspunkt ist nicht fest. Er verschiebt sich mit der Bauteilgeometrie, der Drahthärte und der Qualität der Maschinenwartung. Ein Betrieb mit drei Schichten und schlechter Schmierung erreicht die theoretische Standzeit von Hartmetall nicht, und die Rechnung verschiebt sich.

4. Aufbau des Werkzeugs

4.1 Matrize (Aufnahmewerkzeug)

Formt die Außenseite des Kopfes. Die Genauigkeit der Bohrung bestimmt das sichtbare Erscheinungsbild des Teils. Üblich ist Hartmetall oder DC53 in einem Schrumpfsitz aus Stahl.

4.2 Stempel (Oberwerkzeug)

Drückt die Form von vorn ein. Der Stempel ist das Teil, das am häufigsten bricht, weil er die volle Wechsellast jedes Hubs aufnimmt.

4.3 Auswerferstift

Drückt das umgeformte Teil aus der Matrize. Bei kleinen Teilen ist der Auswerferstift das schwächste Glied und bricht unter Seitenlast.

4.4 Innensechskantstempel

Schneidet den Innensechskant. Er nimmt eine exzentrische Last auf und ist bruchgefährdet, wenn der Stempel nicht exakt geführt wird.

5. Standzeit und Schadensbilder

6. Konstruktionsregeln, auf die es ankommt

6.1 Spannungskonzentration verringern

• Jede Innenkante mit einem Radius von R 0,3 mm oder mehr versehen.
• Dem Stempel einen Freiwinkel von mindestens 1° geben.
• Abrupte Querschnittsänderungen vermeiden; sie über eine Länge ausgleichen.

6.2 Schmierung

Bei der Kaltmassivumformung erhält der Draht eine Phosphat- und Seifenauflage, oder es wird ein ölbasiertes Schmiermittel an der Matrize aufgebracht. Mangelhafte Schmierung ist die mit Abstand häufigste Ursache für Werkzeugausfälle und zugleich die günstigste zu behebende.

6.3 Werkzeugwerkstoff auf das Werkstück abstimmen

Edelstahl verfestigt sich durch Kaltverformung weit stärker als Kohlenstoffstahl, und die Werkzeugbelastung liegt etwa um den Faktor 1,5 höher. Bei Edelstahl ist Hartmetall fast immer gerechtfertigt, auch bei mittleren Stückzahlen.

7. Kosten, Entscheidungsbaum und FAQ

Schritt 1: Wie groß ist die Losgröße?

Unter 100.000 → SKH-9. 100.000 bis 1.000.000 → DC53. Über 1.000.000 → Hartmetall.

Schritt 2: Welcher Werkstückwerkstoff?

Kohlenstoffstahl → Standardwerkzeuge. Edelstahl → Hartmetall. Aluminium → Standardwerkzeuge, mit Augenmerk auf Kaltverschweißung.

Schritt 3: Wie komplex ist die Form?

Mehrstufig mit großer Reduktion → Hartmetall. Einfache Form mit mäßiger Reduktion → SKH-9.

FAQ

F: Warum brechen die Stempel im Werkzeug immer wieder? In neun von zehn Fällen ist es eine zu große Reduktion in Verbindung mit einer Spannungskonzentration. Reduktion verringern, Radien vorsehen und auf Hartmetall wechseln, wenn die Geometrie nicht geändert werden kann.

F: Lohnt sich Hartmetall tatsächlich? Es kostet 5–10× mehr und hält 10–20× länger. Ab etwa einer Million Teilen liegen die Gesamtkosten eindeutig niedriger; darunter geht die Amortisation nicht auf.

F: Kaltmassivumformung oder Warmschmieden? Kaltmassivumformung für kleine Teile aus Kohlenstoffstahl – schneller, mit besserer Oberfläche und sicherer Toleranz. Warmschmieden für große Abmessungen und Werkstoffe, die sich nicht kalt umformen lassen.

F: Lassen sich Werkzeuge instand setzen? Verschleißte Matrizen können nachgeschliffen und neu beschichtet werden. Ein gebrochener Stempel ist Schrott, weil der Rissverlauf nicht zuverlässig entfernt werden kann.