Produktion von Verbindungselementen

Warmumformung

Mit Warmumformung werden all diejenigen Umformschritte bezeichnet, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls stattfinden. Die während der Umformung stattfindende Verfestigung wird durch zeitlich festgelegte Entspannungsphasen wieder aufgehoben. Dabei verringert sich die Versetzungsdichte im Kristallgitter und das Material bleibt verformbar. Dadurch können sehr hohe Umformgrade aufgebracht werden.

- Arbeitstemperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur 

- Große Umformbarkeit der Werkstoffe 

- Geringe Umformkräfte 

- Geringe Änderung von Festigkeit und Bruchdehnung am umgeformten Werkstoff 

- Maßtoleranzen und Oberflächengüte schlechter als bei Kaltumformung 

- kann Anisotropie erzeugen 

- bewirkt keine Verfestigung 

Das Warmpressverfahren Schmieden auf Schmiedepressen für kleine bis mittlere Stückzahlen und Durchmesser bis M 200. Das in eine Stangenform eingesetzte Rundmaterial muss zuerst in einem vorbereitenden Arbeitsgang abgelängt werden. Die Abschnitte werden dann ganz oder partiell (in Gas-, Öl- oder Induktionsöfen) auf Schmiedetemperatur (abhängig vom Werkstoff; bis zu 1250 °C) erwärmt und in Pressen partiell umgeformt. Zur Fertigstellung solcher Schrauben werden anschließend zerspanende Verfahren (Überdrehen, Gewindeschneiden) angewandt, wobei die Gewinde heute überwiegend spanlos auf Gewinderollmaschinenhergestellt werden.
 

Kaltumformung

Kaltumformung ist das gezielte Umformen von Metallen bei einer Temperatur deutlich unterhalb der jeweiligen Rekristallisationstemperatur. Von Kaltverformung spricht man bei einer unkontrollierten plastischen Verformung (z.B. Autounfall). Durch die plastische Umformung erhöht sich die Versetzungsdichte im Kristallgitter. Dies führt dazu, dass sich die Versetzungen im Kristallgitter häufiger bei ihrer Bewegung treffen und dadurch gegenseitig  behindert werden. Demzufolge ist zur Weiterverformung eine größere mechanische Arbeit notwendig. 

Die Kaltumformung macht sich deshalb auch in den mechanischen Eigenschaften der fertigen Schraube oder Mutter bemerkbar.  Durch die Erhöhung der Versetzungsdichte im Kristallgitter erhöhen sich die Zugfestigkeit bzw. Dehngrenze und Härte des Teils. Dieser Vorgang ist allgemein hin als Kaltverfestigung bekannt. Das Verfahren findet z.B. Edelstahlbereich Anwendung, wenn es darum geht Schrauben der Festigkeitsklasse A2-70 bzw. A4-70 oder A2-80 bzw. A4-80 herzustellen, die aufgrund der Werkstoffeigenschaften nicht durch Wärmebehandlung in ihrer Festigkeitsklasse erhöht werden können. 

Die erhöhte Versetzungsdichte führt zu Spannungen im Kristallgitter. Dies führt unter anderem auch dazu, dass eine Schweißbarkeit der Schraube oder Mutter nicht gewährleistet werden kann. Wird die Schraube oder Mutter nach der Kaltverfestigung ausreichend lange auf die werkstoffspezifische Rekristallisationstemperatur gebracht, so entspannt sich das Gefüge wieder. Durch die Rekristallisation verringern sich dann aber auch die mechanischen Eigenschaften wieder deutlich. Bei diesem Verfahren sind relativ enge Maßtoleranzen möglich und die Oberfläche bleibt im Gegensatz zur Warmumformung ohne Zunderschicht.

Das Kaltumformen erfolgt in der Regel auf mehrstufigen Pressen und ist für große Stückzahlen und Durchmesser maximal M 30 geeignet. Das Ausgangsmaterial wird aufgewickelt angeliefert und durch eine vorgeschaltete Richtanlagen abgerollt und gerade gerichtet. Moderne Kaltfließpressen arbeiten, so dass mehrere Arbeitsgänge nacheinander auf der maschine ausgeführt werden und die Schraube komplett fertig die Anlage verlässt. Dabei werden bei jedem Hub mehrere Operationen hintereinander ausgeführt. (z.B. Sechskantkopf vorformen, stauchen, abgraten und Gewindeteil reduzieren). 

Im nachfolgenden Prozess werden die Gewinde durch Gewindewalzmaschinen mit Flachbacken oder Rolle- und Segmentwerkzeugen spanlos auf die definierte Gewindeteile aufgerollt. In vielen Fällen verwendet man Pressen mit integrierter Gewindegewindebearbeitung. Abhängig von Durchmesser und Länge der Schrauben erreichen solche Anlagen Produktionszahlen von mehr als 300 Stück pro Minute.
 

Zerspanende Herstellung

Die spanende Herstellung von Schrauben und Muttern mit Dreh- und Fräsmaschinen stellt verglichen mit den Umformverfahren nur einen Randbereich bei der Produktion von Verbindungselementen dar. Trotzdem hat dieses Verfahren seine Existenzberechtigung. 

So können vor allem kleine Stückzahlen ohne die Erstellung von teuren Umformwerkzeugen erstellt werden. Dieser Vorteil weitet sich vor allem dann aus, wenn die Verbindungselemente aus auf den Einsatzfall ausgelegten speziellen Werkstoffen hergestellt werden müssen. Weiter ist das Verfahren sinnvoll, wenn spezielle Maße oder Toleranzen (abweichend von Normen) eingehalten werden müssen.

Häufig wird speziell bei der Herstellung von Schrauben oder Bolzen eine Kombination aus zerspanenden und umformenden Verfahren zum Einsatz gebracht. So werden zum Beispiel die Schraubenrohlinge (ohne Gewinde) zerspanend hergestellt und anschließend das Gewinde in einem Kaltumformverfahren eingebracht.
 

Gewindeherstellung

Gewindeschneiden

Eine Möglichkeit der Gewindeherstellung ist das Gewindeschneiden (auch Gewindestrehlen genannt). Dabei wird das Gewinde spanabhebend eingebracht.

Gewindewalzen / Gewinderollen

Unter dem Gewindewalzen, oftmals auch Gewinderollen genannt, versteht man die spanlose Fertigung von Gewinden durch Kaltumformung, bei der das Profil in die Oberfläche des entsprechenden Rohteils gewalzt wird. Nach DIN 8580 gehört das Gewindewalzen zum Umformen, genauer Druckumformen und dort zum Walzen.

Die Umformung beruht auf der Erzeugung von Druckspannungen durch ein oder mehrere sich auf dem Werkstück abbildende Werkzeuge. Dieses Verfahren ist wesentlich schneller und bei großen Stückzahlen kostengünstiger als andere Methoden zur Herstellung von Gewinden, namentlich das Gewindeschneiden. Es werden auch Rändelungen und Kerbverzahnungen mit diesem Verfahren hergestellt.

Es können alle Werkstoffe, die eine Mindestdehnung von 6% aufweisen sowie eine Zugfestigkeit von max. 1400 N/mm² nicht überschreiten mit diesem Verfahren bearbeitet werden. Dazu gehören auch hochlegierte Stähle, Messing und spezielle Aluminium Legierungen. Nicht walzbar sind besonderes spröde (z.B. Grauguss) und extrem weiche Werkstoffe (z.B. Blei) sowie Kunststoffe.

Weitere Vorteile des Gewindewalzens:

  • Die Korngrenzen werden nicht unterbrochen. (=> ungebrochene Werkstofffaser) 
  • Durch die Kaltverformung wird eine Oberflächenverfestigung erreicht. (=> höhere Festigkeit) 
  • Presspolierte Gewindeflanken (=> glatte Oberfläche) 
  • Höhere Verschleißfestigkeit 
  • Reduzierte Kerbempfindlichkeit 
  • Keine Späne, dadurch geringerer Materialbedarf.
     

Oberflächenfehler und Beschädigungen am Gewinde

Beschädigungen am Gewinde können sowohl bei der Herstellung (z.B. kleine Überwälzungen oder Profilabweichungen, Vergütung, Beschichtung in der Trommel) als auch im weiteren Verlauf (Abpacken, Lagerhaltung, Transport) auftreten.

Kleinere Beschädigungen wie Kerben, Schlagstellen oder Dellen, welche die Gängigkeit in Gewindelehren oder im Gegengewinde erschweren, sind technisch unvermeidlich und stellen keinen Sachmangel dar.

Diese fertigungsbedingten Oberflächenfehler und Beschädigungen sind bis zu bestimmten Grenzen zulässig und sind in den entsprechenden Normen beschrieben. Wenn für bestimmte Einsatzfälle besonders leichtgängige Gewinde erforderlich sein sollten, sind hierfür entweder größere Toleranzen oder ein nachträgliches "Glättwalzen" mit Gewindeschutz in Erwägung zu ziehen. 

Quellen

DIN EN 26157-1 - Verbindungselemente; Oberflächenfehler; Schrauben für allgemeine Anforderungen

DIN EN ISO 6157-2 - Verbindungselemente - Oberflächenfehler - Teil 2: Muttern 

http://de.wikipedia.org/wiki/Gewindewalzen (06.09.2011)