Der Optimierung der Prozessgrößen kommt besondere Bedeutung zu: Einflussfaktoren auf die technischen Zielgrößen beim Warmziehen.

Bilder: Kieselstein

Zusammenstellung von Draht-Warmziehanlagen der Kieselstein GmbH.

Bild: Kieselstein

Dreidimensionale Struktur für den Einsatz im Sandwich- oder Hybrid-Leichtbau.

Warm gezogen wirtschaftlich

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Das Unternehmen Kieselstein als Hersteller von Drahtzieh- und Drahtschäl-Anlagen, deren Besonderheit es oft ist, die jeweiligen Kundenanforderungen und gewünschten technischen Rahmenbedingungen zu erfüllen, beschäftigt sich seit seiner Gründung mit dem Warmziehen von Draht. So wurden in der Vergangenheit unter anderem Projekte im Bereich der Bearbeitung von Wolfram und Molybdän realisiert. Bei diesen Werkstoffen sowie bei hochlegierten Stählen oder einigen Nichteisen-Legierungen ist konventionelle Verarbeitung durch Kaltziehen nur bedingt möglich. Bei Raumtemperatur kann häufig nur mit geringen Querschnittsabnahmen gearbeitet werden. Bei solchen Werkstoffen ist das Warm- oder Halbwarmziehen vorteilhaft, weil die Duktilität erhöht und das Umformvermögen der Werkstoffe besser ausgeschöpft werden kann. Zudem lässt sich infolge der Verringerung der Umformfestigkeit die vom Drahtquerschnitt zu übertragende Ziehkraft reduzieren.
Für Wolfram- und Molybdän konnten unter Verwendung einer Gaserwärmung und alternativ durch eine elektrische Erwärmung Temperaturen über 600 °C erreicht und dadurch die Umformbarkeit verbessert werden. In der Verbindung einer gesteuerten Prozessführung und der Auswahl der dafür geeigneten Betriebsstoffe wie Ziehstein und Ziehmittel konnten diese bei Raumtemperatur schwer umformbaren Werkstoffe bis an 0,08 mm gezogen werden.
An einem weiteren Anwendungsfall für das Warm- beziehungsweise Halbwarmziehen von Magnesium arbeitet Kieselstein im Rahmen eines durch die Sächsische Aufbaubank geförderten Projektes mit der TU Bergakademie Freiberg zusammen. Bei Magnesiumlegierungen ist aufgrund ihrer Gitterstruktur und der damit in Verbindung stehenden geringen Duktilität eine Kaltumformung nur begrenzt möglich. Erst durch die Aktivierung zusätzlicher Gleitebenen bei Temperaturen oberhalb 220 °C nimmt das Umformvermögen der meisten Legierungen soweit zu, dass auch größere Formänderungen ermöglicht werden. Ziel des Projekts ist es, warmgewalzte Magnesiumdrähte wirtschaftlich herzustellen, um diesen die Anwendbarkeit in der Industrie – beispielsweise im Automobilbau – als Leichtwerkstoff zu ermöglichen.
Die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Warm- beziehungsweise Halbwarmziehens ist werkstoffabhängig. Entscheidend sind die jeweiligen Verfahrensgrenzen und ob die Vorteile hinsichtlich der Einsparung einzelner Prozessschritte überwiegen – wie Ziehstufen und Zwischenglühungen – sowie gegebenenfalls die Verbesserung der mechanischen Drahteigenschaften gegenüber dem erhöhten Aufwand der Drahterwärmung, den schwierigeren tribologischen Bedingungen und möglicherweise geringen Defiziten in Bezug auf Oberflächenqualität und Toleranz. Der Optimierung der Prozessgrößen des Verfahrens kommt in diesem Zusammenhang besondere Bedeutung zu.
Der prinzipielle Aufbau einer Warmziehanlage besteht aus Drahterwärmung und Ziehteil. Flankiert wird dies von zusätzlichen Einrichtungen wie Ziehstein-Erwärmung, Ziehscheiben-Erwärmung und Ziehmittel-Versorgung. Neben Einzelzug-Ziehmaschinen existieren Mehrfach-Ziehanlagen, insbesondere im dünneren Abmessungsbereich. Die Auswahl der jeweiligen Erwärmungsart und die wirtschaftlich sinnvolle Anwendbarkeit des Warmziehens werden durch zahlreiche Faktoren bestimmt. Aus Sicht des Autors lassen sich davon drei wesentliche definieren.

Die sind zunächst die Eigenschaften des Werkstoffs. Hierzu zählen die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit (Konduktivität) und die Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit). Diese Eigenschaften bedingen auch die Auswahl der wirtschaftlichsten Erwärmungsart. Im Allgemeinen können drei Arten der Erwärmung zur Anwendung kommen. Zum einen die Erwärmung mittels Induktion. Das setzt die entsprechenden Eigenschaften des Drahtwerkstoffs voraus. Die Erwärmung mittels Gasofen oder aber auch eine elektrische Erwärmung. Neben den chemisch/physikalisch Eigenschaften sind auch die geometrischen Eigenschaften des Drahtes von Bedeutung. So kann die Erwärmung mittels Induktion nicht für jeden beliebigen Drahtdurchmesser verwendet werden.

Weiter zur Zieltemperatur. Diese wird maßgeblich durch den Werkstoff und den damit gewünschten Effekt bestimmt, aber auch durch die jeweiligen geometrischen Eigenschaften des Drahtes. Problemlos lassen sich mittels Gaserwärmung Temperaturen von über 1000 °C erzielen. Wie bereits erwähnt, kommt diese Technik beim Umformen von Wolfram- und Molybdändrähten zum Einsatz, da dort die Temperaturen für die Verbesserung der Umformbarkeit deutlich über 600 °C liegen.
Letztlich der Einfluss von Prozessgrößen wie Ziehgeschwindigkeit und Kapazität: Unter Beachtung der Eigenschaften des Drahts und der Zieltemperatur ergeben sich automatisch maximal mögliche Ziehgeschwindigkeiten. Selbstverständlich kann diese bei der Auslegung der Erwärmung in Form der Länge der Einrichtung berücksichtig werden. Jedoch lässt sich dies nicht beliebig erweitern und wirkt sich gleichzeitig auch auf die Wirtschaftlichkeit des Warmziehprozesses aus. Die angestrebte Produktionsmenge – also die Kapazität – kann gleichzeitig darüber Aufschluss geben, ob eine Anlage als Einzelzug, auf dem in mehreren Ziehoperationen der Draht heruntergezogen wird, oder aber als Mehrfachzug, bestehend aus mehreren Erwärmungseinrichtungen, konzipiert wird.
Neben diesen Faktoren gilt es weitere Punkte im Vorfeld einer Maschinenauslegung zu klären. In Abhängigkeit der jeweiligen Zielstellung der Erwärmung des Drahts – besonders die Fragestellung: Durchwärmen oder lediglich Erwärmen an der Oberfläche – bestimmen darüber, welche Prozessgeschwindigkeiten gewählt, aber auch welche Drahtdurchmesser mit der jeweiligen Technik erwärmt werden können. Durch die Möglichkeit für Versuche im eigenen Versuchsfeld der Kieselstein GmbH und dem Zugriff auf die verschiedenen Arten der Erwärmung, lassen sich im Vorfeld einer Entscheidung Machbarkeitsstudien erstellen. In Zusammenarbeit mit Partnern in der anwendungsnahen Forschung, bei denen neue Arten der Erwärmung entwickelt und weiterentwickelt werden, lassen sich zukünftig weitere Anwendungen für das Warm- und Halbwarmziehen finden.
Des Weiteren lassen sich – ausgehend von diesen Entwicklungen der Erwärmungstechnik und den dabei gesammelten Erfahrungen – aus dem Warmziehen neuartige Anlagen realisieren, bei denen die Kombination aus Umformen (Drahtzug) und Erwärmen (Glühen) genutzt wird. Durch diese Form der Prozessintegration lassen sich langfristig Kosten für Handling des Drahts einsparen, wodurch die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert wird. Gleichzeitig ermöglicht die Nutzung der bei der Umformung entstehenden Prozesswärme im Draht als Teil des Glühprozesses die Reduzierung des Gesamtenergiebedarfes.
Außerdem entstand auf Basis des Warmziehens die Überlegung, die Erwärmung auch in den Bereich des Ziehschälens zu integrieren. Es ist bekannt, dass Kieselstein über entsprechende Versuchsanlagen zum Ziehschälen von Draht verfügt. Mit diesen Anlagen werden heute für Kunden Erstbemusterungen und Machbarkeitsstudien durchgeführt. In der Übertragung des Warmziehens auf das Ziehschälen wird die Möglichkeit der Warmzerspanung in Betracht gezogen. Dabei wird der gleiche Effekt wie beim Warmziehen genutzt, nämlich durch Erwärmung des Drahtes vor dem eigentlichen spanabhebenden Prozess, dessen Eigenschaften derartig zu beeinflussen, dass dessen Zerspanbarkeit verbessert wird. Gleichzeitig lassen sich durch eine entsprechende Prozessführung bestimmte Eigenschaften des ziehgeschälten Drahtes einstellen
Im vorliegenden Beitrag wurde in einigen Ansätzen auf die Möglichkeit des Warmziehens eingegangen. Die Vielzahl der möglichen Anwendungen wie auch der Einsatz der entsprechenden Technik kann hier jedoch nicht vollständig beleuchtet werden. Es wird jedoch deutlich, welche Möglichkeiten in der Erweiterung des Ziehprozesses um die Drahterwärmung liegen und welche zukünftigen Ansatzpunkte noch bearbeitet werden können.

Strucwire ist ein dreidimensionaler Drahtaufbau, der sich für den Einsatz als Sandwichkonstruktion oder im Hybrid-Leichtbau empfiehlt. Die einzelnen Zellen sind definiert. Das von der Kieselstein-Gruppe entwickelte Produkt vereint Leichtigkeit mit einer stabilen Zellstruktur. Es ist lieferbar entweder als Platten mit 500 mm x 500 mm Abmessung oder als Würfel je 300 mm x 300 mm x 300 mm. Auch Freiformen sind möglich. Die Zellengröße reicht von 2,7 mm bis 18 mm, die Dichte von 0,65 g/cm³ bis 1,45 g/cm³. Als Steifigkeit nennt der Hersteller 85 MPa bis 4850 MPa. Obere Quetschgrenzen sind 2,7 MPa bis 63,8 MPa. Durch Energieabsorption, gute Dämpfung und geringes spezifisches Gewicht eignet sich Strucwire für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau, in der Automobilbranche sowie in der Medizintechnik.