Bei dieser Technik lohnt es sich, in die Tiefe zu gehen
Hinter dem Begriff „Tiefziehen“ steckt mehr, als man vordergründig vermutet. Edelstahl oder Materialien wie Hastelloy® oder Titan sind sehr widerstandsfähig. Sie ohne Wärme, also „kalt“, tiefzuziehen, stellt technisch eine große Herausforderung dar. Tiefgezogen werden bei Mankenberg topfförmige Bauteile, die mit gegossenen und eigens hergestellten Dreh- und Frästeilen komplexe Gehäuse für Armaturen bilden. Um diese schließlich zusammenzufügen, verwenden wir das Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren (WIG).
Zum Tiefziehen benötigt man hydraulische Pressen, die das Material mit hoher Kraft kalt verformen können. Die größte zurzeit bei Mankenberg eingesetzte Presse kann eine Maximalkraft von 2.500 kN aufbringen. Oder in anderen Worten: sechs voll beladene Lastzüge.
Wie aber wird aus dem planen Blech schließlich die komplexe Armatur?
Die Formgebung erfolgt auf Basis entsprechender Werkzeuge, die aus einer Hohlform (zur Abbildung der Außenkontur) und dem Stempel (zur Abbildung der Innenkontur) bestehen. Der Raum zwischen beiden Formen enthält nach dem Zug den geformten Topf. So wird aus einer runden Blechplatte ein in einem dreidimensionalen Verformungsprozess ein topfförmiger Hohlkörper, der im Bereich des Bodens nur schwach verformt wird. Da der Werkstoff nicht ausweichen kann, wird das Blech zwischen Faltenhalter und Ziehring gestaucht, zwischen Ziehring und Stempel wieder gestreckt. So kommt es, dass der Boden meist die ursprüngliche Wandstärke des Ausgangsblechs hat, während diese bodennah ab – und bodenfern zunimmt. Hier ist besondere Aufmerksamkeit gefragt: Wird die Zugbelastung zu stark, kann das Material bei der Bearbeitung reißen.
Bereits um 1500 wurden Fingerhüte aus Messing tiefgezogen und nicht mehr gegossen. Später kam das Tiefziehverfahren als Massenfertigungsverfahren bei der Herstellung von Kochtöpfen aus Edelstahl zum Einsatz. Heute ist es in erster Linie aus dem Karosseriebau der Automobilindustrie bekannt. Mankenberg hat dieses Fertigungsverfahren erstmals bei der Herstellung von Armaturen angewendet, die technisch unter Auslegungs- und Sicherheitsaspekten als Druckbehälter betrachtet werden müssen und daher besonderen Anforderungen unterliegen. Dabei ergibt sich die Dimensionierung der Gehäusewandstärke aus der später geforderten zulässigen Druckbelastung.
Eine weitere Schwierigkeit: Durch das Kaltverformen kommt es im Material zum durchaus gewollten metallurgischen Prozess der Kaltverfestigung, der neben größerer Festigkeit auch eine erhöhte Sprödigkeit mit sich bringt. Bei vielen aufeinanderfolgenden Tiefzieh-Verarbeitungsschritten muss daher zwischendurch die Kaltverfestigung durch das „Austenitisierungsglühen“ abgebaut werden.
Die Qualität des Basismaterials Blech ist durch die Herstellung dieses Großserienmaterials deutlich höher als bei gegossenen Materialien, die durch Schrumpfung, Verunreinigung und auch Abbildung von Fehlern in der Gussform leiden. Die hohe Oberflächenqualität wird beim Tiefziehen nicht beeinträchtigt, sodass tiefgezogene Produkte sich genau dadurch auszeichnen. Ein weiterer Vorteil: Im Gegensatz zu Guss ist Edelstahlblech (auch tiefgezogenes) gut schweißbar. So können wir in Kleinserie bis hin zum Einzelbau spezielle Bauteile durch Zusammenfügen mit anderen Komponenten herstellen. Dies macht die Produkte insbesondere bei der Anpassung an die Rohrleitung höchst variabel. Kurzum: Das Tiefziehen von Edelstahl ist eine Fertigungstechnik, die auf ganzer Linie überzeugt.
Einblicke in das Tiefziehen
Tiefziehen ist das Zugdruckumformen eines Blechzuschnittes zu einem Hohlkörper. Artverwandte Verfahren sind das Metalldrücken oder Hydroforming. Eingeleitet wird das Tiefziehen mit dem Zuschnitt(dem Stanzen) der sogenannten Ronde, deren Dicke und Durchmesser die Geometrie des späteren Topfes vorbestimmen.
Das Zwischenergebnis
Der erste Zug entsteht bei der Herstellung von mittelgroßen Töpfen, wenn der Haltedruck und die Stempelkraft im richtigen Verhältnis stehen. So werden mit etwa 60 bar die Ronden gehalten, während mit etwa 150 bar der Stempel in die Form fährt.
Die Ronde wird zu einem Topf tiefgezogen, wobei sich der Durchmesser und die Wandstärke des Grundmaterials ändern.
Das Endergebnis
Aus dem Ergebnis des ersten Zuges mit einem Durchmesser von ca. 210 mm wird durch weiteres Verformen des Hohlkörpers ein Topf mit einem Durchmesser von ca. 160 mm geformt. Das Verhältnis von Durchmesser zu Topftiefe hat sich etwa von 2:1 auf 1:1 verändert.
Wenn der Umformungsgrad bei Edelstählen wie auch bei Titan zu hoch wird, steigt die Gefahr von Spannungsrissen. Abhilfe schafft das sogenannte Spannungsglühen, das es erst ermöglicht, tiefe Töpfe herzustellen, und immer wieder geschickt eingesetzt werden muss.
Das Werkzeug
Die wichtigsten Wirkteile der Presse für das Tiefziehen sind der Ziehstempel, die Ziehmatrize und der Gegenhalter. Der Ziehstempel ist fest mit dem Pressentisch verschraubt. Die Ziehmatrize fungiert gleichzeitig als Niederhalter. Der Gegenhalter, der über Stangen mit dem Ziehkissen verbunden ist, richtet die Ronde zentrisch aus und dient gleichzeitig als Abstreifer. Er wird durch die Ziehmatrize nach unten verdrängt, während das Blech in den Hohlraum zwischen Ziehstempel und Ziehmatrize hineinfließt.
Der erste Lauf
Die Blechronde wird eingelegt und beim Niederfahren der Ziehmatrize zwischen dieser und dem Gegenhalter fixiert. Haltedruck und Stempelkraft werden genau auf die programmierten Einstellwerte gefahren. Das System wird wieder entlastet und auf die Ausgangsposition zum Start des nächsten Tiefziehprozesses zurückgefahren.
Schritt für Schritt
Beim zweiten Zug wirkt auf den bereits vorgeformten Topf die Form der Ziehmatrize und die Kraft des Ziehstempels. Entscheidend für den Erfolg sind jetzt die Umformzeit und die Reibungskräfte, die auf das Werkstück wirken. Beim Optimieren der Prozessparameter ist die Erfahrung des Mankenberg-Wegzeugbaus von unschätzbarem Wert.
