Ziehverhältnis und Rohlingshalterkraft beim Tiefziehen: Faltenbildung und Rissbildung verhindern

Zwei Fehlerarten begleiten jeden Tiefziehvorgang: Faltenbildung und Rissbildung. Sie befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten desselben Prozessfensters, und jede Parameteranpassung, die Sie von einem wegbewegt, bewegt Sie hin zu dem anderen. Das Ziehverhältnis und die Kraft des Blechhalters sind die beiden Hebel, die bestimmen, wo sich das Fenster befindet und wie breit es ist. Zu verstehen, wie sie interagieren – und warum – ist die Grundlage der Fehlervermeidung beim Tiefziehen.

Ziehverhältnis: Das primäre Maß für die Schwere der Verformung

Das Ziehverhältnis (DR) ist das Verhältnis des Rohlingsdurchmessers zum Stempeldurchmesser. Für einen 200-mm-Rohling, der über einen 100-mm-Stempel gezogen wird, beträgt das Ziehverhältnis 2,0. Diese Zahl beschreibt, wie stark sich der Rohling in Umfangsrichtung zusammenziehen muss, um sich von einem flachen Kreis in eine Tasse zu verwandeln – und wie viel Druckspannung der Flansch daher während des Ziehhubs tragen muss.

Das Grenzziehverhältnis (LDR) ist das maximale Ziehverhältnis, das ein bestimmtes Material in einem einzelnen Ziehdurchgang aushalten kann, ohne dass die Becherwand in der Nähe der Stempelnase bricht. Bei den meisten kohlenstoffarmen Stählen mit günstigen r-Werten liegt der LDR zwischen 2,0 und 2,3. Bei Aluminiumlegierungen liegt er typischerweise bei 1,8 bis 2,0. Bei rostfreien Stählen liegt sie je nach Güte und Härte zwischen 1,9 und 2,2.

Der LDR ist keine feste Materialkonstante – er verschiebt sich mit den Prozessbedingungen. Eine bessere Schmierung erhöht den LDR durch Reduzierung der reibungsbedingten Wandspannung. Ein größerer Matrizeneintrittsradius erhöht ihn, indem der Biegewiderstand an der Matrizenlippe verringert wird. Eine höhere Kraft des Niederhalters senkt ihn, indem die Reibungslast erhöht wird, die auch die Becherwand tragen muss. Die praktische Implikation besteht darin, dass es sich bei der LDR um eine Systemeigenschaft und nicht nur um eine Materialeigenschaft handelt und sie im Kontext des gesamten Werkzeug- und Prozessdesigns bewertet werden muss.

Was passiert, wenn das Ziehverhältnis den Grenzwert überschreitet?

Wenn das Ziehverhältnis den LDR überschreitet, kann die Becherwand nicht die Kraft übertragen, die erforderlich ist, um das verbleibende Flanschmaterial in die Matrize zu ziehen, ohne zu reißen. Der Bruch beginnt typischerweise am Stanznasenradius – dem Punkt der maximalen Wandverdünnung – und breitet sich schnell über den Umfang aus. In der Produktion erscheint dies als sauberer Riss an der Basis der Becherwand, der oft als „Durchschlagsfehler“ bezeichnet wird.

Der Ausweg aus diesem Fehlermodus besteht nicht immer darin, die Rohlingsgröße zu reduzieren. Manchmal kann eine Verbesserung der Schmierung, eine Vergrößerung des Matrizeneintrittsradius oder eine Verringerung der Bindekraft (innerhalb der Faltengrenzen) den effektiven LDR so weit erhöhen, dass die vorhandene Rohlingsgröße in Reichweite kommt. Wenn keine dieser Anpassungen ausreicht, ist eine mehrstufige Zugreduzierung die richtige technische Antwort. Die Mehrstufige Tiefzieh-Matrizensysteme für die Produktion von Komponenten für Elektrofahrzeuge im Automobilbereich sind speziell darauf ausgelegt, die Ziehungsverhältnisse über Stationen hinweg zu sequenzieren, sodass sich kein einzelner Vorgang der LDR-Grenze nähert.

Blank Holder Force: Ausgleich zweier konkurrierender Risiken

Die Rohlingshalterkraft (BHF) – auch Bindekraft oder Rohlingshaltedruck genannt – ist die Klemmkraft, die während des gesamten Ziehhubs auf den Flansch des Rohlings ausgeübt wird. Seine Aufgabe besteht darin, zu verhindern, dass der Flansch unter Umfangsdruckspannung knickt, was die Hauptursache für Faltenbildung ist. Allerdings erhöht BHF auch die Reibung, die der Rohling überwinden muss, wenn er nach innen gleitet, was die Zugspannung in der Becherwand erhöht und bei zu hoher Einstellung zu Rissen führen kann.

Dies ist die zentrale Spannung bei der Konstruktion von Niederhaltern: Zu wenig Kraft erzeugt Falten; Zu viel führt zu Rissen. Der korrekte Wert liegt zwischen diesen beiden Grenzen, und die Lücke dazwischen – das Prozessfenster – wird kleiner, wenn das Ziehverhältnis steigt, die Materialdicke abnimmt oder sich die Schmierqualität verschlechtert.

Eine häufig verwendete Näherung für den anfänglichen Blechhalterdruck ist 1,5 % der Streckgrenze des Materials , aufgetragen über die Kontaktfläche zwischen Blechhalter und Flansch. Beim ersten Ziehen eines zylindrischen Bechers kann der Gesamt-BHF ebenfalls auf etwa 25 % der Ziehkraft geschätzt werden. Dies sind Ausgangspunkte; Tatsächliche Produktionseinstellungen erfordern eine Überprüfung durch Ausprobieren und Anpassungen basierend auf dem Teilezustand. Das Vorhandensein von Falten weist auf die Notwendigkeit eines höheren BHF hin, während Wandbrüche auf die Notwendigkeit eines niedrigeren BHF oder einer verbesserten Schmierung hinweisen.

Variable Blechhalterkraft: Ein präziserer Ansatz

Eine feste Niederhalterkraft ist eine nützliche anfängliche Annäherung, sie ist jedoch nicht über den gesamten Ziehhub hinweg optimal. Zu Beginn des Hubs ist die Flanschfläche groß und die Gefahr der Faltenbildung am höchsten – hier sollte der BHF am höchsten sein. Mit fortschreitendem Hub und abnehmendem Flanschdurchmesser nimmt die Druckspannung im Flansch ab und der BHF-Bedarf sinkt. Die Aufrechterhaltung eines hohen BHF bis zum Ende des Hubs führt zu einer unnötigen Reibungsbelastung der Becherwand und erhöht das Bruchrisiko, ohne dass zusätzlicher Schutz vor Faltenbildung gegeben ist.

Variable BHF-Systeme – typischerweise hydraulische oder servogesteuerte Kissen – wenden ein zeitlich variierendes Kraftprofil an, das mit der Stempelposition synchronisiert ist. Das Profil beginnt bei hoher Kraft, nimmt in der Mitte des Hubs ab und kann gegen Ende wieder leicht ansteigen, um die Rückfederung zu kontrollieren. Untersuchungen zeigen immer wieder, dass variabler BHF das effektive Prozessfenster im Vergleich zu festem BHF erweitert und so tiefere Ziehvorgänge und dünnere Rohlinge ermöglicht, die bei konstant hoher Krafteinstellung brechen würden.

Numerisch gesteuerte (NC) Ziehkissen gehen hier noch einen Schritt weiter, indem sie unterschiedliche Drücke in verschiedenen Zonen rund um den Rohlingsumfang ausüben – und so den asymmetrischen Strömungswiderstand beseitigen, der bei nicht runden Teileformen auftritt. Dieser Ansatz ist besonders relevant für Tiefziehwerkzeuge für Radnaben und Strukturchassis wo die Umfangsgeometrie erheblich variiert.

Faltenbildung: Ursachen, Typen und Korrekturen

Falten entstehen, wenn die Druckspannung in Umfangsrichtung im Rohling die Knickfestigkeit des Materials übersteigt. Es tritt an zwei unterschiedlichen Orten auf, jeder mit einer anderen Ursache und einer anderen Korrekturstrategie.

Faltenbildung am Flansch ist der häufigste Typ. Wenn der Rohling nach innen gezogen wird, muss sich sein Umfang verringern – Material, das in einem großen Kreis verteilt wurde, muss sich zu einem kleineren verdichten. Wenn der Druck des Blechhalters nicht ausreicht, um das daraus resultierende Knicken außerhalb der Ebene zu unterdrücken, entwickelt der Flansch radiale Falten, die dann in den Hohlraum der Matrize gezogen werden und als wellenförmige Falten an der Becherwand erscheinen. Die Korrektur besteht in einem höheren BHF, einem besseren Kontakt mit dem Bindemittel (wodurch sichergestellt wird, dass das Bindemittel flach und parallel zum Flansch verläuft) oder durch Ziehen von Sicken, die dem Materialfluss Widerstand verleihen und die radiale Spannung im Flansch erhöhen.

Faltenbildung an der Wand erscheint unabhängig vom Flansch an der vertikalen Wand des Bechers. Sie wird durch übermäßige Umfangskompression in der nicht unterstützten Wand zwischen Stempel und Matrize verursacht und tritt häufiger bei dünnen Materialien und großen Ziehverhältnissen auf. Wandfalten können nicht allein durch die Kraft des Blechhalters korrigiert werden – sie erfordern eine Reduzierung des Matrizenspiels, eine Anpassung des Stempelradius oder eine Reduzierung des Ziehverhältnisses durch eine zusätzliche Ziehstufe.

• Unzureichende Kraft des Blechhalters — die häufigste Ursache für Faltenbildung; Der Flansch hebt sich zwischen dem Binder und der Matrizenfläche an und ermöglicht so ein Knicken in Umfangsrichtung.
• Zu großer Matrizeneintrittsradius – Erstellt am Übergang des Rohlings vom Flansch zur Wand eine nicht unterstützte Spannweite, die dem Material Raum zum Knicken gibt, bevor es erfasst wird.
• Übergroßer Arbeitsspielraum – Lässt zu viel radiales Spiel für das Wandmaterial, was ein seitliches Knicken während des Hubs ermöglicht.
• Nicht übereinstimmende leere Geometrie – Überschüssiges Material in bestimmten Abschnitten eines nicht runden Rohlings führt zu lokalen Druckspannungskonzentrationen, die sich verbiegen, bevor sich der Rest des Rohlings geformt hat.
• Unzureichende Gleichmäßigkeit der Schmierung — Eine ungleichmäßige Schmierung erzeugt einen variablen Strömungswiderstand am Umfang, was dazu führt, dass einige Sektoren schneller vorrücken als andere und sich Druckspannungen aufbauen.

Rissbildung: Ursachen, Orte und Korrekturen

Rissbildung beim Tiefziehen ist ein Zugversagen. Sie tritt auf, wenn die Spannung in der Becherwand, die die Last beim Einziehen des verbleibenden Flansches in die Matrize trägt, die Zugfestigkeit des Materials am schwächsten Querschnitt übersteigt. Dieser schwächste Abschnitt befindet sich fast immer am Stempelnasenradius, wo durch Biegen die Dicke verringert wird und die Zugspannung am höchsten ist.

Die Faktoren, die die Rissbildung nach oben treiben, sind die gleichen, die jedes andere Zugversagen verschlimmern: höheres Ziehverhältnis, höhere Niederhalterkraft, größere Reibung am Matrizenradius oder an der Verbindungsoberfläche, kleinerer Matrizeneintrittsradius (der den Biegewiderstand erhöht) und Material mit geringer Duktilität oder niedrigem n-Wert. Jeder dieser Faktoren kann, wenn er zu weit getrieben wird, zum Bruch einer Pfanne führen, die sich ansonsten korrekt formt.

Korrekturen folgen aus den Ursachen. Die Reduzierung des BHF innerhalb der Faltengrenze ist die schnellste Anpassung, die während des Testens möglich ist. Durch die Verbesserung der Schmierung – insbesondere am Matrizeneintrittsradius – wird die reibungsbedingte Wandspannung reduziert, ohne dass Werkzeuge gewechselt werden müssen. Ein größerer Matrizeneintrittsradius verringert den Biegewiderstand an der Matrizenlippe. Reicht keine dieser Anpassungen aus, muss das Ziehverhältnis reduziert werden, entweder durch Verkleinerung der Rohlingsgröße (unter Berücksichtigung eines kürzeren Bechers) oder durch Hinzufügen einer Ziehstufe zur Verteilung der Verformung. Die wirtschaftliche Auswirkungen der Hinzufügung von Ziehstufen im Vergleich zur Akzeptanz von Ertragseinbußen beim Cracken hängen vom Produktionsvolumen und den Teilekosten ab – eine Entscheidung, die im Kontext getroffen werden muss.

Die Rolle der Rohlingsgröße und -form bei der Fehlervermeidung

Die Rohlingsgeometrie wird oft als feste Eingabe behandelt – der Rohlingsdurchmesser wird aus der Oberfläche des fertigen Teils berechnet, und das ist alles. In der Praxis ist die Optimierung der Rohlingsform ein wirksames Instrument zur Fehlervermeidung, insbesondere bei unrunden Teilen.

Für runde Becher ist ein Rondell richtig. Bei rechteckigen oder unregelmäßigen Teilen weist ein Rohling, der perfekt zur entwickelten Oberfläche des fertigen Teils passt, in einigen Sektoren überschüssiges Material und in anderen nicht genügend Material im Verhältnis zum Formumfang auf. Dieses Ungleichgewicht erzeugt einen ungleichmäßigen Strömungswiderstand, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung führt, die an vorhersehbaren Stellen zu örtlicher Faltenbildung oder Brüchen führt.

Durch die Optimierung der Rohlingsform wird der Umfang eines nicht runden Rohlings so angepasst, dass jeder Sektor mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit vorgeschoben wird. Dadurch können ganze Fehlerkategorien eliminiert werden, ohne dass Werkzeuge gewechselt werden müssen. Die FEA-Simulation ist das Standardwerkzeug für diese Optimierung. Sie iteriert den Rohlingsumriss, bis das Umformgrenzendiagramm gleichmäßige Sicherheitsmargen um den gesamten Teilumfang zeigt. Der resultierende Rohling ist selten ein einfaches Rechteck oder Oval; Es verfügt über Kerben, Reliefs und Konturen, die auf die spezifische Matrizengeometrie abgestimmt sind, durch die es gezogen werden soll.

Verknüpfung von Fehlervermeidung und Produktionsqualität

Falten und Risse sind die sichtbaren Symptome eines Prozesses, der außerhalb seines Fensters abläuft. Die Diagnose, welches Symptom auftritt – und wo – weist direkt darauf hin, welcher Parameter außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Ein Riss an der Stempelnase weist auf Wandspannung hin: BHF zu hoch, Schmierung fehlerhaft oder Ziehverhältnis übersteigt den LDR des Materials. Eine Falte am Flansch deutet auf eine Druckspannungskontrolle hin: BHF zu niedrig, Bindemittelkontakt ungleichmäßig oder Zugwulst unzureichend. Eine Falte an der Wand deutet auf den Düsenabstand oder das Ziehverhältnis hin, nicht auf BHF.

Die Behandlung jedes Fehlertyps als Diagnosesignal – und nicht als allgemeinen Qualitätsmangel – ermöglicht gezielte Korrekturmaßnahmen anstelle von Parameteranpassungen durch Versuch und Irrtum. Dieser strukturierte Ansatz unterscheidet eine vorhersehbare Tiefziehproduktion mit hoher Ausbeute von chronischen Testzyklen.

Für komplexe Teile, die Tiefziehen mit progressiven Formmerkmalen kombinieren, gilt an jeder Station die gleiche Diagnoselogik. Progressive Tiefziehwerkzeuge für Automobilstrukturteile Sie müssen das Ziehverhältnis und die Bedingungen des Blechhalters in jeder Phase unabhängig steuern – eine Disziplin, die bei korrekter Ausführung fehlerfreie Teile mit hohen Produktionsraten über den gesamten Bereich hinweg produziert Geometrien und Materialqualitäten von Stanzteilen für die Automobilindustrie .