Grenzen der Kopfumformung: Warum kleine Köpfe schwieriger sind

Was das Stauchverhältnis bedeutet

Beim Kaltstauchen entsteht ein Kopf, indem der aus der Matrize ragende Drahtabschnitt verkürzt und verdickt wird. Diese überstehende Länge geteilt durch den Drahtdurchmesser ist das Stauchverhältnis.

Größere Köpfe brauchen deshalb mehr Stufen. Ein Kopf, der viel breiter ist als sein Schaft, braucht vor dem Fertigschlag meist eine Vorform — wie viele Stufen nötig sind, hängt aber von Kopfhöhe, Profil, Volumen der Antriebsaussparung und Abstützung ab, nicht allein vom Durchmesserverhältnis. Deshalb kann eine geänderte Kopfform eine neue Matrize bedeuten oder eine neu aufgebaute Stufenfolge.

Warum die Grenze bei kleinen Größen enger wird

Intuitiv ist Umformen Geometrie und müsste sich skalieren lassen. Das tut es nicht. Die Mikroumformung nennt das den Größeneffekt: Nähert sich ein Teil der Korngröße des Werkstoffs, verhält sich der Werkstoff nicht mehr wie ein Kontinuum.

• Weniger Körner im Querschnitt. Ein Makroquerschnitt enthält Tausende Körner, die sich ausmitteln. Ein Miniaturquerschnitt enthält vielleicht nur Dutzende, sodass Orientierung und Festigkeit einzelner Körner im Ergebnis sichtbar werden.
• Ein größerer Anteil an Oberflächenkörnern. Körner an einer freien Oberfläche sind weniger eingespannt als innere und fließen anders. Je kleiner das Teil, desto größer ihr Anteil.
• Die Folge ist Streuung. Gleicher Draht, gleiche Matrize, weniger gleichmäßiges Ergebnis als im Makrobereich.

Also zuerst simulieren — doch die Simulation verspricht kein Teil

Das Kriterium für duktilen Bruch nach Cockroft-Latham wird häufig zusammen mit der Finite-Elemente-Simulation eingesetzt, um Risse vorherzusehen, bevor eine Matrize gefertigt wird. Eine Studie an einer TORX-Schraube M2.6×5 aus SUS304 berichtet, dass eine geänderte Form der vorstehenden Spitze des Vorformstempels der ersten Stufe den Schädigungswert an der Rissstelle von 0,594 auf 0,392 senkte, also um etwa 34 %.

In der Praxis: Die Simulation taugt für die Entscheidung, ob Entwurf A besser ist als Entwurf B. Sie garantiert nicht, dass einer von beiden nicht reißt. Das zeigen weiterhin nur Muster.

Werkzeuge werden nicht von einem Auftrag verbraucht

Die übliche Sorge bei Sonderteilen sind die Werkzeugkosten. Entscheidend ist aber nicht, was eine Matrize kostet, sondern wie viele Teile sie herstellt.

Was Sie fragen sollten

• Wie viele Stufen braucht dieser Kopf in dieser Größe? Die Stufenzahl bestimmt Werkzeugaufwand und Lieferzeit. Fällt die Antwort hoch aus, lohnt es sich, vor dem Werkzeugbudget den Kopf selbst zu überdenken — Auflagefläche und Lasteinleitung in die Verbindung sind eine der Randbedingungen der Kopfwahl, neben Bündigkeit, Zugänglichkeit und Bauraum; bevor Sie die Stufenzahl akzeptieren, sollten Sie wissen, welche davon tatsächlich feststeht.
• Mit welchem Stauchverhältnis arbeiten Sie — mit einem Makrowert oder einem für kleine Größen angepassten?
• Simulieren Sie die Umformung? Wenn ja: Dient sie dem Vergleich von Varianten, oder wird sie als Zusicherung angeboten?
• Hartmetall- oder Schnellarbeitsstahlstempel? Ein zehn- bis zwanzigfacher Unterschied in der Standzeit bedeutet eine andere Kostenstruktur.
• Werden Matrizen planmäßig oder erst bei Ausfall gewechselt, und werden die Hübe gezählt? Verschleiß schreitet allmählich fort und lässt sich einplanen; ein Ermüdungsbruch hält eine Linie an.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 3: Kopf. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Quellen

• Padfield & Bhupatiraju, “Cold Heading,” ASM Handbook, Vol. 14A, 2005
• Talangkun, “Design of the semi-closed die for shaping thick coin-like carbon steel parts in a single operation,” SN Applied Sciences 5, 176 (2023)
• Seo et al., “Design of Cold Heading Process of a Screw for Storage Parts,” Transactions of Materials Processing 20(1), 2011
• Ran, Fu, Chan & Kwan, “The influence of size effect on the ductile fracture in micro-scaled plastic deformation,” International Journal of Plasticity 41 (2013)
• Nickel Institute — Cold Forming Stainless Steel Bar and Wire

Einige Quellen sind kostenpflichtig. Die zitierten Werte sind jeweils Ergebnisse einer Studie unter ihren eigenen Bedingungen und keine allgemeinen Auslegungswerte; Prozessparameter sind an Mustern und mit dem Lieferanten zu bestätigen.