Fertigungsleitfaden für Kaltstauchschrauben

Einführung in das Kaltstauchverfahren

Kaltumformung, auch Kaltstauchen genannt, ist ein hocheffizientes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Schrauben und anderen Verbindungselementen bei Raumtemperatur. Dabei wird Metalldraht durch eine Reihe von Werkzeugen verformt, um die gewünschte Form zu erzielen. Vorteile sind Materialeinsparungen, erhöhte Festigkeit durch Kaltverfestigung und präzise Toleranzen. Da Kaltumformung Normen wie GB/T 3098.1 für die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen erfüllt, eignet sie sich ideal für die Massenproduktion in der Automobil-, Bau- und Elektronikindustrie.

Der Prozess beginnt mit Rohdraht und umfasst Glühen, Oberflächenvorbereitung, Ziehen, Umformen, Gewindeschneiden, Wärmebehandlung und Endbearbeitung. Jeder Schritt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das Endprodukt die Spezifikationen hinsichtlich Zugfestigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit erfüllt. Eine fachgerechte Ausführung minimiert Fehler wie Risse oder Maßabweichungen und fördert so die Zuverlässigkeit in Anwendungen, bei denen Ausfälle inakzeptabel sind.

Hinweis: Wählen Sie die Werkstoffe entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Verwendungszwecks, z. B. kohlenstoffarmen Stahl für Duktilität oder legierte Stähle für hohe Festigkeit. Regelmäßige Qualitätskontrollen, einschließlich Härteprüfungen gemäß GB/T 230.1, sind während der gesamten Produktion unerlässlich.

Glühen

Durch Glühen wird der Walzdraht weicher gemacht, indem er auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, gehalten und langsam abgekühlt wird. Dadurch wird die Kristallstruktur angepasst, die Härte reduziert und die Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur verbessert. Dieser Schritt ist für Werkstoffe wie die Stähle 1018, 1022, 10B21, 1039 und CH38F unerlässlich.

Vorgehensweise: Bis zu 7 Spulen (je ca. 1,2 Tonnen) in den Ofen einlegen und dicht verschließen. Innerhalb von 3–4 Stunden allmählich auf 680–715 °C (für 1018/1022) bzw. 740–760 °C (für andere Spulen) erhitzen, 4–7,5 Stunden halten und anschließend innerhalb von 3–4 Stunden langsam auf unter 550 °C abkühlen lassen. Danach den Ofen auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

• Qualitätskontrolle: Die Härte nach dem Glühen sollte bei niedriggekohlten Stählen HV120–170 und bei mittelgekohlten Stählen HV120–180 betragen. Die Oberflächen müssen frei von Oxidschichten und Entkohlung sein.
• Hinweis: Achten Sie auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung, um ungleichmäßiges Erweichen und damit verbundene Formfehler zu vermeiden. Beachten Sie die Norm GB/T 699 für hochwertige Baustähle.

Durch dieses Verfahren wird die Plastizität erhöht und das Risiko von Rissen bei nachfolgenden Kaltverformungsschritten verringert.

Einlegen

Durch Beizen werden Oxidschichten von der Drahtoberfläche entfernt und eine Phosphatschicht gebildet, um den Werkzeugverschleiß beim Ziehen und Umformen zu minimieren. Diese chemische Behandlung ist entscheidend für die Oberflächenqualität und die Schmierung.

Vorgehensweise: Tauchen Sie die Teile für einige Minuten in Salzsäurebäder vom Typ 20-25%, um Oxide zu entfernen. Spülen Sie anschließend mit Wasser, behandeln Sie die Teile mit Oxalsäure zur Metallaktivierung, tragen Sie eine Phosphatlösung auf, um einen Zn2Fe(PO4)2·4H2O-Film zu bilden, spülen Sie die Teile erneut und tragen Sie ein Schmiermittel wie Natriumstearat auf, um die Schmierfähigkeit zu verbessern.

• Hinweis: Die Eintauchzeiten sollten so gewählt werden, dass ein Überätzen vermieden wird, da dies den Draht schwächen kann. Die Einhaltung der Umweltauflagen ist durch die Behandlung des Abwassers gemäß den branchenüblichen Vorschriften sicherzustellen.
• Vorteile: Die Phosphatschicht reduziert die Reibung, verlängert die Lebensdauer der Matrize und verbessert die Oberflächengüte.

Durch sachgemäßes Beizen wird eine gleichmäßige Beschichtung gewährleistet, die für eine gleichbleibende Leistung bei der Massenproduktion unerlässlich ist.

Drahtzeichnung

Beim Drahtziehen wird der Spulendurchmesser durch Kaltziehen auf die erforderliche Größe reduziert, oft in zwei Schritten, je nach Produkt. Dieser Schritt bereitet den Draht durch Erreichen präziser Abmessungen für die Umformung vor.

Vorgehensweise: Nach dem Beizen wird die Spule durch Ziehdüsen auf den gewünschten Durchmesser gezogen. Für große Schrauben, Muttern oder Stangen werden spezielle Ziehmaschinen verwendet.

• Hinweis: Halten Sie Reduktionsverhältnisse von 10–151 TP3T pro Durchgang ein, um übermäßige Kaltverfestigung oder Risse zu vermeiden. Schmierung ist entscheidend, um Oberflächenfehler zu verhindern.
• Normen: Entspricht GB/T 6478 für Kaltstauchstahl, um sicherzustellen, dass Dehnung und Zugfestigkeit den Umformanforderungen entsprechen.

Durch effektives Tiefziehen wird die Materialfestigkeit durch Verformung erhöht, während die Duktilität für das Kaltstauchen erhalten bleibt.

Bildung

Durch Kalt- oder Warmumformung wird der Draht zu halbfertigen Schrauben geformt, wodurch die gewünschte Geometrie und die gewünschten Abmessungen erzielt werden. Dieser Kernschritt wird mit Mehrstationenmaschinen effizient durchgeführt.

Für Sechskantschrauben (Vier- oder Drei-Gesenk-Verfahren): Zuschnitt, Vorstauchverfahren, Nachformung, Sechskantbearbeitung. Für Schrauben: Zuschnitt, Vorformung des Kopfes, Endformung. Warmumformung: 7–15 Sekunden Erhitzen für größere Abmessungen, anschließend Schaftreduzierung.

Mutternbildung: Schneiden, erste Formgebung durch mehrere Stempel, abschließendes Stanzen.

• Hinweis: Verwenden Sie für präzise Ergebnisse Matrizen mit einer Oberflächenrauheit von Ra ≤ 0,2 μm. Installieren Sie Auswerfer, um Blockaden zu vermeiden. Achten Sie bei komplexen Formen auf die korrekte Einstellung der Kippwinkel.
• Normen: Gemäß ISO 898 ist eine kontinuierliche Faserführung für die Festigkeit sicherzustellen.

Dieses Verfahren maximiert die Materialausnutzung und erzeugt Teile mit überlegenen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu maschinell bearbeiteten Alternativen.

Gewindeschneiden

Durch Walzen oder Gewindeschneiden werden Gewinde an Halbzeugen erzeugt, wodurch das funktionale Schraubenprofil entsteht. Dies erhöht die Festigkeit durch plastische Verformung.

Vorgehensweise: Gewinde für Schrauben mit festen und beweglichen Platten rollen; Gewinde für Muttern schneiden; Gewinde für Stangen rollen. Die Umdrehungszahl optimieren, um Fehler wie Risse oder Unrundheit zu vermeiden.

• Hinweis: Passen Sie den Rohlingsdurchmesser unter Berücksichtigung der Beschichtungseffekte an, um Genauigkeit zu gewährleisten. Prüfen Sie auf Oberflächenrisse gemäß GB/T 3098.1.
• Häufige Defekte: Risse, unregelmäßige Gewindegänge, Unrundheit – Kontrolle über Prozessparameter.

Das Gewindewalzen erhält die Kornstruktur und verbessert so die Ermüdungsbeständigkeit bei tragenden Anwendungen.

Wärmebehandlung

Durch Wärmebehandlung werden die mechanischen Eigenschaften mittels Härten und Anlassen optimiert, abgestimmt auf Material und Verwendungszweck: Hochtemperatur-Anlassen für gehärtete Stähle (500-650°C), mittleres Anlassen für Federn (420-520°C), niedriges Anlassen für aufgekohlte Stähle (150-250°C).

Verfahren für Baustähle: Normalisieren, bei 850 °C abschrecken, bei 400–500 °C anlassen oder bei 200 °C für hohe Festigkeit. Für Federn: Ölabschrecken bei 830–870 °C, anlassen bei 420–520 °C. Für einsatzgehärtete Stähle: Einsatzhärten, abschrecken, niedrig anlassen.

• Hinweis: Verwenden Sie kontinuierliche Öfen mit Atmosphärenregelung, um eine Entkohlung gemäß GB/T 3098.1 zu verhindern. Achten Sie auf gleichmäßige Härte und vermeiden Sie Rissbildung.
• Mängel: Unzureichende Härte, Unebenheiten, Verformungen, Rissbildung – durch präzise Kontrollen mindern.

Moderne Anlagen gewährleisten eine gleichbleibende Qualität, die für hochfeste Verbindungselemente unerlässlich ist.

Oberflächenbehandlung

Oberflächenbehandlungen sorgen für Korrosionsbeständigkeit und ein ansprechendes Aussehen: Galvanisierung (Zink, Nickel usw.), Feuerverzinkung, mechanische Beschichtung.

Qualitätskontrolle: Erscheinungsbild frei von Mängeln; Dicke 4-12 μm für die Galvanisierung, 43-54 μm für die Feuerverzinnung; gleichmäßige Verteilung; Minderung der Wasserstoffversprödung durch Ausheizen bei 176-190°C für 3-24 Stunden; Haftungsprüfung.

• Hinweis: Hochharte Teile sollten umgehend getrocknet werden, um Versprödung zu vermeiden. Beachten Sie die Norm ISO 4042 für galvanische Beschichtungen.

Diese Behandlungen verlängern die Lebensdauer in korrosiven Umgebungen.

Spezifikationen für hochfeste Schrauben

Die Herstellung hochfester Schrauben erfolgt nach folgendem Verfahren: Warmgewalzter Draht – Ziehen – Kugelglühen – Mechanisches Entzundern – Beizen – Ziehen – Kaltschmieden – Gewindeschneiden – Wärmebehandlung – Prüfung.

Materialdesign: C 0,25-0,55%, Mn 0,45-0,80%, Si ≤0,30%, P/S ≤0,030/0,035%, B ≤0,005% gemäß GB/T 6478 und JIS G3507.

Kugelglühen: Erhitzen auf Ac1 +20–30 °C, isotherm auf ca. 700 °C abkühlen, dann auf 500 °C. Für Stähle 35/45: 715–735 °C; SCM435: 740–770 °C, isotherm 680–700 °C.

Entzunderung: Mechanisch (Biegen/Sprühen) + Beizen für eine Reinheit von >8,8.

Zeichnung: 10-15% Reduzierung pro Durchgang zur Minimierung der Aushärtung.

Umformung: Mehrstations-Präzisionswerkzeuge.

Gewindeschneiden: Walzen für mehr Festigkeit.

Wärmebehandlung: Automatisierte Linien für höchste Qualität.

• Hinweis: Für die Güteklassen 8.8/9.8 ist eine Feinabstimmung erforderlich, um Festigkeit und Duktilität gemäß ISO 898-1 auszubalancieren.

Fertigungsdiagramme und Visualisierungen

Visuelle Hilfsmittel veranschaulichen wichtige Formungsstadien:

Diese oft in Animationen visualisierten Phasen veranschaulichen die fortschreitende Verformung. Videos zeigen die Formgebung und das Einfädeln in Echtzeit und heben dabei Präzision und Geschwindigkeit hervor.