Vorformen für die Zerspanung: Warmschmieden, Gießen oder…

Was ist eine Zerspanungsvorform?

Eine Vorform ist die Ausgangsform, von der ein zerspantes Bauteil startet. Jedes zerspante Bauteil beginnt als Stanzrohteil, als Abschnitt Rundstahl oder Rohr oder als zugekauftes endkonturnahes Halbzeug wie ein Schmiedeteil, ein kaltfließgepresstes oder kaltgestauchtes Rohteil, ein Gussteil oder ein gesintertes pulvermetallurgisches Rohteil. Diese Entscheidung fällt normalerweise, bevor jemand ein Werkzeug in die Hand nimmt. Sie bestimmt, wie viel Material zerspant werden muss, wie viel vom ursprünglichen Faserverlauf im Fertigteil erhalten bleibt, wie viele Operationen die Zerspanung benötigt und wo Porosität oder harte Stellen auftreten. Eine endkonturnahe Vorform kostet pro Kilogramm mehr als Stangenmaterial, erzeugt aber deutlich weniger Späne, sodass die Gesamtteilekosten häufig sinken, obwohl das Einsatzmaterial teurer geworden ist. Bei einem aus Stangenmaterial zerspanten Teil ist es normal, 70 Prozent des Einsatzes als Späne abzutragen; bei einem Schmiedeteil können beim selben Teil 15 Prozent übrig bleiben.

Warum die Vorform die Teilekosten bestimmt

Die Zerspanungskosten werden vom zerspanten Materialvolumen und der Anzahl der Aufspannungen bestimmt, nicht vom Preis des Rohmaterials. Eine endkonturnahe Vorform setzt an beidem an: weniger zu zerspanendes Material bedeutet kürzere Zykluszeiten, weniger Werkzeugverbrauch und weniger zu entsorgenden Abfall, und eine Vorform, die bereits Ansatz, Steg oder Flansch trägt, kann einen ganzen Arbeitsgang aus dem Ablauf entfernen. Der Kompromiss sind Werkzeugkosten und Mindestbestellmenge, denn ein Schmiedegesenk, ein Fließpressstempel oder ein Sinterwerkzeug rechnet sich erst ab einem bestimmten Jahresvolumen. Unterhalb dieses Volumens ist Stangenmaterial günstiger, selbst mit den zusätzlichen Spänen. Der Sinn der Überprüfung der Vorform in der DFM-Phase ist herauszufinden, auf welcher Seite dieser Grenze das Teil liegt, solange die Zeichnung noch geändert werden kann.

Die Vorformen – und wann welche die richtige Wahl ist

Stanzrohteil — Eigenfertigung. Stanzen, Lochen und Umformen laufen auf Balfords eigenen Pressen von 25 t bis 350 t, und das Rohteil wird anschließend im selben Werk zerspant. Eine Prüfung deckt beide Schritte ab, und es gibt keine Übergabe zwischen Lieferanten, was dies zum kürzesten Weg für ein flaches oder leicht umgeformtes Profil mit einem bearbeiteten Merkmal macht.
Rundstahl. Der Standard für rotationssymmetrische Teile bei kleiner und mittlerer Stückzahl: keine Werkzeugkosten, keine Mindestbestellmenge, jeder Durchmesser, den die Stangenlader aufnehmen. Die Kosten stecken in den Spänen, daher ist ein aus Stangenmaterial zerspantes Teil, bei dem der Großteil des Einsatzes abgetragen wird, der erste Kandidat für ein endkonturnahes Halbzeug.
Stahlrohr. Wird gewählt, wenn die Bohrung bereits als Loch vorliegt — Hülsen, Distanzstücke, Buchsen und Gehäuse behalten den Innendurchmesser wie zugeliefert und bearbeiten nur die Funktionsflächen. Wandstärke und Konzentrizität des Rohrs werden Teil der Zeichnungsprüfung.
Heißschmieden — ein Rohling wird bis zur Glühfarbe erhitzt und in einem Gesenk geschmiedet. Der Faserverlauf folgt der Bauteilkontur, daher ist das Teil in den lasttragenden Richtungen fest, und es eignet sich für Teile mit geschmiedetem Ansatz, Hebel oder Auge, bei denen das Herausarbeiten aus dem Vollen verschwenderisch wäre. Die Schmiedetoleranzen sind im Vergleich zur Zerspanung weit, daher werden Schmiedeteile normalerweise an den Funktionsflächen fertigbearbeitet.
Kaltfließpressen — der Rohling wird bei Raumtemperatur in Form gepresst. Maßgenauigkeit und Oberflächengüte liegen deutlich näher am Fertigmaß als beim Warmumformen, die Materialausnutzung ist hoch, und die Kaltverfestigung erhöht die Streckgrenze der Oberfläche. Es eignet sich für symmetrische Teile: Hülsen, Becher, Buchsen und Gehäuse.
Kaltstauchen — Draht wird bei Raumtemperatur zu einem Kopf oder einer Schulter gestaucht. Es ist schnell, erzeugt nahezu keinen Abfall und ist der Standardweg für Verbindungselemente, Stifte, Nieten und Schulteranschlüsse. Die Grenze ist die Form: Kaltstauchen nutzt Material dort gut aus, wo die Form im Wesentlichen ein Grundkörper mit vergrößertem Ende ist.
Guss — Sand-, Feinguss- oder Druckguss. Gießen ist der einzige Weg, der komplexe innenliegende Hohlräume wirtschaftlich erzeugt, und Sandguss verursacht nahezu keine Werkzeugkosten, was ihn zur richtigen Antwort für Einzelstücke und Kleinserien macht. Im Gegenzug sind die Toleranzen grober als bei den anderen Wegen, und Porosität muss kontrolliert und geprüft werden, statt sie wegzudenken.
Pulvermetallurgie — Metallpulver wird in einem Gesenk gepresst und gesintert. Es ist endkonturnah für kleine, komplexe Teile in hoher Stückzahl und kann gezielt kontrollierte Porosität erzeugen, weshalb es selbstschmierende Lager und einige magnetische Komponenten dominiert. Die Grenzen sind Bauteilgröße, Dicke und Schlagfestigkeit, und die Werkzeugkosten sind nur bei Stückzahl gerechtfertigt.

Kernpunkt

Die Entscheidung fällt normalerweise anhand von vier Zahlen: Jahresstückzahl, Größe des Fertigteils, Symmetrie der Form und erforderliche Festigkeit in einer bestimmten Richtung. Hohe Stückzahl und symmetrische Form sprechen für Kaltfließpressen, Kaltstauchen oder Pulvermetallurgie. Ein ausgeprägter Ansatz oder eine vorgegebene Lastrichtung spricht für Warmschmieden. Niedrige Stückzahl und ein komplexer Innenhohlraum sprechen für Gießen. Kein Werkzeugbudget spricht für Stangenmaterial.

Welche dieser Schritte Balford selbst ausführt und welche fremdvergeben sind

Balford zerspant im Haus und stanzt und zieht ebenfalls im Haus. Gestanzte Rohteile laufen auf unseren eigenen Pressen, sodass bei dieser Route Rohteil und Zerspanung bei einem Lieferanten liegen. Rundstahl und Stahlrohr werden als Material eingekauft. Die endkonturnahen Rohteile, die wir nicht selbst herstellen, werden von qualifizierten Unterauftragnehmern bezogen: Warmschmieden (红冲), Kaltfließpressen (冷挤压), Kaltstauchen (冷镦), Gießen (铸件) und Pulvermetallurgie (粉末冶金). Diese Trennung wird bewusst genannt, weil die Vorform-Lieferkette Teil der Prozessroute ist, die der Kunde freigibt, und ein Lieferant, der nur die eigenen Arbeitsgänge beschreibt, hat ein halbes Bauteil beschrieben. Balford ist keine Schmiede, keine Gießerei und kein Pulvermetallurgie-Werk, und die Seite tut nicht so, als wäre es anders. Die Lieferantenliste für diese Vorformen wird erweitert; die für ein Teil angebotene Route nennt die verwendete Vorform.

Jeder Unterauftragnehmer ist schriftlich an Vertraulichkeitsbedingungen gebunden, die mindestens so streng sind wie die, die die NDA des Kunden Balford auferlegt, und erhält nur die Informationen, die für seinen Prozessschritt erforderlich sind. Die für ein Teil angebotene Prozessroute nennt die Vorform und die fremdvergebenen Schritte; die Identität des Unterauftragnehmers wird auf Anfrage offengelegt.

Was für eine Vorformprüfung einzusenden ist

Die Zeichnung des Fertigteils — die Entscheidung zur Vorform ergibt sich aus der Fertiggeometrie, nicht daraus, was der aktuelle Lieferant gerade einkauft.
Jahresstückzahl und erwartete Programmlebensdauer — davon hängt ab, ob sich ein Werkzeug überhaupt wirtschaftlich darstellen lässt.
Der Werkstoff — manche Güten gibt es nur in bestimmten Formen, und eine Güte, die sich nicht schmieden lässt, lässt sich möglicherweise gut gießen.
Wo die Festigkeit erforderlich ist — die Lastrichtung und etwaige Ermüdungs- oder Druckanforderungen, denn genau darauf wirken sich Faserfluss und Porosität aus.
Welche Oberflächen fertigbearbeitet und welche im Umformzustand sind — eine Vorform lohnt sich nur dann als endkonturnaher Bezug, wenn die Oberflächen im Umformzustand an irgendeiner Stelle des Teils zulässig sind.
Die aktuelle Fertigungsroute — wenn das Teil heute aus Stangenmaterial bearbeitet wird, ist der Vergleich einfach und amortisiert sich bei Stückzahl in der Regel im ersten Jahr.

Was wir nicht behaupten

Balford ist keine Schmiede, keine Gießerei und kein Pulvermetallurgiewerk; diese Schritte werden von qualifizierten Unterauftragnehmern bezogen und als solche benannt. Der Pressenbereich von 25 t bis 350 t und der maximale Tiefzieh-Durchmesser von 250 mm beschreiben die Stanz- und Ziehseite des Werks, nicht die fremdvergebenen Vorformen. Eine Toleranz von 0,001 mm wird nur für ausgewählte kritische Bearbeitungsmerkmale angegeben, wenn Prozess, Geometrie, Werkstoff und Prüfbedingungen dies zulassen, und immer gegen die Zeichnung. Das Qualitätsmanagement läuft nach ISO 9001:2015, mit an IATF 16949 angelehnten Regelungen für die Automobilprogramme, die wir bedienen; eine IATF 16949-Zertifizierung wird nicht behauptet.

Balford hat seit 2000 mehr als 4.000 Einzelhub-Tiefziehwerkzeuge gebaut, betreibt ein 12.000-m²-Werk in Zhuji, Zhejiang, mit 500+ Maschinen und 120+ Mitarbeitern in Technik und Produktion und fertigt rund 50 Millionen Teile pro Jahr. Bearbeitungszeichnungen werden geprüft und kalkuliert, in der Regel innerhalb von 24 Stunden, mit DFM-Hinweisen zusammen mit dem Preis — einschließlich einer Empfehlung zur Vorform, wenn Stückzahl und Geometrie eine solche rechtfertigen.

Häufig gestellte Fragen

Sollte mein Zerspanungsteil geschmiedet oder aus Stangenmaterial bearbeitet werden?

Das hängt davon ab, wie viel Material Sie derzeit wegwerfen und was das Teil leisten muss. Wenn das Fertigteil ein geformter Körper mit Ansatz oder Hebel ist, kommt ein Schmiedeteil der Fertiggeometrie deutlich näher, und die Bearbeitungszeit sinkt stark; ab etwa einigen tausend Stück pro Jahr amortisiert sich das Schmiedewerkzeug in der Regel. Wenn das Teil klein und einfach ist und die Jahresstückzahl niedrig liegt, ist Stangenmaterial die bessere Wahl, weil es keine Werkzeugkosten verursacht. Senden Sie die Zeichnung und die Jahresstückzahl, dann kann der Vergleich auf Basis realer Taktzeiten statt auf Basis des Kilopreises erfolgen.

Wofür wird Kaltfließpressen eingesetzt?

Kaltfließpressen formt den Rohling bei Raumtemperatur, sodass der fertige Rohling mit guter Oberflächengüte und deutlich fertigteilnäheren Toleranzen aus dem Werkzeug kommt als bei der Warmumformung. Es eignet sich für symmetrische Teile — Hülsen, Becher, Buchsen und tiefziehähnliche Gehäuse — und erhöht durch Kaltverfestigung die Streckgrenze der Oberfläche, was nützlich ist, wenn das Teil Druck oder Verschleiß ausgesetzt ist. Wenn ein Teil heute aus dem Vollen bearbeitet wird und im Wesentlichen ein Rotationskörper ist, lohnt sich der Vergleich mit einer fließgepressten Vorform in der Regel.

Fertigen Sie die Vorformen selbst durch Gießen oder Schmieden?

Nein. Balford zerspant im Haus und stanzt und zieht ebenfalls im Haus, sodass gestanzte Rohteile von unseren eigenen Pressen laufen — aber Warmschmieden, Kaltfließpressen, Kaltstauchen, Gießen und Pulvermetallurgie werden von qualifizierten Unterauftragnehmern bezogen, und Rundstahl und Rohre werden als Material eingekauft. Das wird genannt, weil die Vorform Teil der Prozessroute ist, die der Kunde freigibt. Jeder Unterauftragnehmer ist an Vertraulichkeitsbedingungen gebunden, die mindestens so streng sind wie die, die die NDA des Kunden Balford auferlegt, erhält nur die Informationen, die für seinen Prozessschritt erforderlich sind, und wird auf Anfrage genannt.

Wann ist Pulvermetallurgie sinnvoll?

Wenn das Teil klein und komplex ist, in hoher Stückzahl benötigt wird und entweder von kontrollierter Porosität profitiert oder mit anderen Verfahren nicht wirtschaftlich herstellbar ist. Sintern ist endkonturnah, daher beschränkt sich die Bearbeitung oft auf eine Bohrung, eine Fläche oder ein Gewinde, und die Werkzeugkosten sind erst ab hoher Jahresstückzahl gerechtfertigt. Es ist keine Route für große Teile, für dünne Querschnitte oder für Komponenten mit Schlagbelastung, denn Porosität, die in einem selbstschmierenden Lager nützlich ist, ist in einem Teil, das eine Stoßlast aufnehmen muss, ein Risiko.

Senden Sie Ihre Zeichnung für eine Vorformprüfung