Im hart umkämpften Markt der Befestigungsmittelherstellung sind hohe Präzision, lange Werkzeugstandzeiten und eine kosteneffiziente Produktion von größter Bedeutung. Das Herzstück jeder Produktionslinie für Befestigungsmittel ist der Stempel- und Matrizensatz, der aus Rohmetalldrähten fertige Bolzen, Stehbolzen, Schrauben und Muttern formt. Bei steigenden Produktionsmengen und engeren Toleranzen mangelt es herkömmlichen Stahlwerkzeugen oft an Haltbarkeit und Wiederholgenauigkeit. Hier kommen Stempel und Matrizen aus Hartmetall ins Spiel – eine Lösung, die überragende Härte, Verschleißfestigkeit und außergewöhnliche Zähigkeit vereint. In diesem Beitrag untersuchen wir, warum Hartmetall das Material der Wahl für moderne Befestigungsmittelwerkzeuge ist, und gehen auf Designüberlegungen, bewährte Fertigungsverfahren, Leistungsvorteile und Wartungstechniken ein, um die Kapitalrendite zu maximieren. Unser Ziel ist es, einen umfassenden, professionellen Leitfaden bereitzustellen, der Einkaufsleiter, Formenbauer und Produktionsingenieure nicht nur schult, sondern auch bei der Spezifizierung und Bereitstellung von Stempel- und Matrizensätzen aus Hartmetall für die Produktion von Metallbefestigungen unterstützt.
Was ist Hartmetall und warum wird es für Stempel und Matrizen verwendet?
Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff, der typischerweise aus Wolframkarbid (WC)-Körnern besteht, die mit Kobalt (Co) als Bindemittel gesintert werden. Diese Wolfram-Kobalt-Matrix bildet ein Material mit außergewöhnlicher Härte – oft 89–92 HRC – und übertrifft damit herkömmliche Werkzeugstähle, die in der Regel zwischen 60 und 65 HRC liegen, bei weitem. Die Härte und Verschleißfestigkeit von Wolframkarbid führen direkt zu einer längeren Lebensdauer bei der Herstellung von hochfestem Stahldraht oder Edelstahlbefestigungen unter Hochgeschwindigkeitspressbedingungen.
Wichtige Gründe für die Auswahl von Hartmetallstempel- und Matrizensätzen sind:
Überlegene Verschleißfestigkeit: Hartmetall widersteht abrasivem Verschleiß, der durch Stanz-, Schneid- und Lochvorgänge in großen Mengen verursacht wird.
Hohe Druckfestigkeit: Hartmetall widersteht Verformungen bei Stößen und schweren Belastungen und behält seine Dimensionsstabilität über Millionen von Zyklen.
Thermische Stabilität: Im Gegensatz zu Werkzeugstählen, die bei erhöhten Temperaturen weich werden können, behält Hartmetall seine Härte bis zu 800 °C und reduziert so den Verschleiß, selbst wenn bei der Herstellung von Befestigungselementen Hitze entsteht.
Präzise Bearbeitbarkeit: Obwohl für die Herstellung von Hartmetallwerkzeugen spezielle Schleif- und EDM-Prozesse erforderlich sind, können sie mit extrem engen Toleranzen (±0,005 mm) hergestellt werden, was für eine konsistente Befestigungsgeometrie entscheidend ist.
Durch die Investition in Hartmetall Stempel und MatrizeHersteller reduzieren Ausfallzeiten aufgrund von Werkzeugwechseln erheblich, senken die Ausschussrate und gewährleisten eine gleichbleibende Produktqualität über lange Produktionsläufe hinweg.
Entwurf von Hartmetall-Stempel- und Matrizensätzen für Befestigungsformen
1. Materialauswahl
Bei der Auswahl von Hartmetall für Befestigungswerkzeuge ist es wichtig, die richtige Sorte basierend auf folgenden Kriterien auszuwählen:
Körnung: Feinkörniges (<0,6 µm) Hartmetall bietet eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit und eignet sich ideal zum Stanzen von hochfestem Stahldraht. Mittelkörnige (0,6–1 µm) Sorten bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Zähigkeit und Verschleiß und eignen sich für Allzweckbefestigungen. Gröbere Körnungen (>1 µm) verbessern die Bruchzähigkeit, schränken aber die Verschleißfestigkeit etwas ein. Sie eignen sich für kleinere Stückzahlen oder weichere Materialien.
Kobaltgehalt: Ein höherer Kobaltgehalt (10–12 Gew.-%) erhöht die Zähigkeit und verringert das Absplitterungsrisiko bei Stößen. Ein niedrigerer Kobaltgehalt (4–6 Gew.-%) erhöht die Härte, kann aber spröde machen. Für automatisierte Hochgeschwindigkeitspressen bietet ein moderater Kobaltgehalt (8–10 Gew.-%) einen Ausgleich.
Spezialbeschichtungen (optional): PVD- oder CVD-Beschichtungen wie TiN, TiAlN oder DLC können die Werkzeuglebensdauer weiter verlängern, indem sie die Reibung verringern und Hartmetall vor Abrieb schützen.
2. Stempelgeometrie und Toleranzen
Die präzise Stempelgeometrie bestimmt die Form und Maßgenauigkeit der Verbindungselemente:
Konfiguration der Stempelspitze: Beim Stanzen von Sechskantschrauben, Achtkantmuttern oder komplexen Kopfgeometrien (z. B. Flansch- oder Flanschkopfschrauben) sorgt Computer-Aided-Design-Software (CAD) in Kombination mit Finite-Elemente-Analyse (FEA) für eine gleichmäßige Spannungsverteilung und minimiert die Kantenverformung.
Eckradien: Scharfe Ecken an der Stempelspitze konzentrieren die Spannung und führen zu vorzeitigem Verschleiß. Ein kleiner Eckenradius (0,05–0,1 mm) kann die Werkzeuglebensdauer deutlich verlängern, ohne die Funktion des Befestigungselements zu beeinträchtigen.
Maßtoleranzen: Hartmetallstempel sollten bei kritischen Abmessungen (z. B. Kopfdurchmesser, Schaftlänge) Toleranzen von ±0,005 mm einhalten, um die Austauschbarkeit bei der automatisierten Montage zu gewährleisten.
3. Matrizendesign und -ausrichtung
Matrizenblöcke nehmen das gestanzte Material auf und ihre Gestaltung ist ebenso wichtig:
Matrizenöffnungsende: Eine polierte Matrizenöffnung (Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,2 µm) reduziert die Gratbildung an den Kanten der Befestigungselemente und minimiert die Drahtverwicklung beim Auswerfen.
Freiwinkel der Matrize: Ein Freiwinkel (3–5°) an der Eintrittsfläche der Matrize erleichtert den Materialfluss und reduziert die Umformspannungen, wodurch die Lebensdauer der Matrize verlängert wird.
Ausrichtungsfunktionen: Durch die Verwendung von Präzisions-Passstiften (Passung H7/k6) zwischen Stempelplatte, Matrizenplatte und Abstreiferplatte wird die Konzentrizität bei Hochgeschwindigkeitszyklen gewährleistet und asymmetrischer Verschleiß verhindert.
4. Überlegungen zu Abstreifer und Trägerplatte
Hartmetallstempel mit Stahlabstreifer: In vielen Konfigurationen wird ein Hartmetallstempel mit einem gehärteten Stahlabstreifer (HRC 58–62) kombiniert, um das Material an Ort und Stelle zu halten. Der Abstreifer muss eine ultraflache Oberfläche (±0,01 mm) aufweisen und mit Hochleistungs-Matrizenfett geschmiert werden, um die Reibung zu minimieren.
Material der Trägerplatte: Trägerplatten bestehen üblicherweise aus P20- oder H13-Stahl und sind auf HRC 45–48 gehärtet. Diese Konfiguration schützt den Hartmetallstempel vor direktem Kontakt mit dem Pressenbett und ermöglicht ein Nachziehen ohne Fehlausrichtung.
Herstellungsprozess von Hartmetallstempeln und -matrize
Die Herstellung eines hochwertigen Hartmetallstempels umfasst mehrere Schritte, die jeweils einer strengen Qualitätskontrolle bedürfen:
Pulverzubereitung: Wolframcarbidpulver und Kobaltbinder werden gemischt, gemahlen und sprühgetrocknet, um Homogenität zu gewährleisten.
Pressen & Sintern: Das gemischte Pulver wird zu einem Grünling kaltgepresst und anschließend bei 1450–1500 °C unter Wasserstoffatmosphäre gesintert. Durch das Sintern wird eine nahezu theoretische Dichte (>99%) erreicht und die Körner werden fest gebunden.
Vorbearbeitung (Hartmetall): Der gesinterte Hartmetallblock wird mit Diamantsägen auf Rohlingsmaße zugeschnitten. Beim Festklemmen der Hartmetallrohlinge wird besondere Sorgfalt darauf verwendet, vibrationsbedingte Mikrorisse zu minimieren.
EDM (Elektroerosion): Da Hartmetall mit herkömmlichen Werkzeugen nicht gefräst werden kann, wird die Stempelspitzengeometrie durch EDM auf ±0,01 mm genau profiliert. Draht- oder Ram-EDM ermöglichen feine Details an Ecken und Kanten.
Feinschleifen & Polieren: Nach dem Erodieren verfeinern hochpräzise Diamantschleifscheiben die Stempeloberflächen und sorgen für Glätte und enge Toleranzen. Das abschließende Polieren verbessert die Oberflächengüte (Ra ≤ 0,05 µm) und reduziert den Matrizenverschleiß in Kombination mit der passenden Matrizenöffnung.
Beschichtung (optional): Falls angegeben, können PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition) wie TiAlN oder TiC auf die Stempel- und Matrizenflächen aufgetragen werden, um die Reibung zu verringern, das Anhaften von Metallspänen zu verhindern und die Werkzeuglebensdauer in abrasiven Umgebungen zu verlängern.
Inspektion und Qualitätskontrolle: Koordinatenmessgeräte (KMG) prüfen alle kritischen Abmessungen, einschließlich Stempelkopfdurchmesser, Länge, Kegelwinkel und Eckradien. Die Rockwell-Härteprüfung bestätigt die gleichmäßige Sinterstruktur.
Leistungsvorteile von Hartmetallstempeln und -matrizes
1. Verbesserte Werkzeuglebensdauer
Bei Hochgeschwindigkeits-Stauchpressen – mit 120 Hüben pro Minute oder mehr – wirkt sich die Werkzeugstandzeit direkt auf die Arbeitskosten und die Produktionsverfügbarkeit aus. Ein Hartmetallstempel hält beim Formen von mittelkohlenstoffhaltigem Stahldraht durchschnittlich drei- bis fünfmal länger als ein herkömmlicher H13-Stempel. Diese längere Lebensdauer reduziert die Häufigkeit von Werkzeugwechseln und verbessert die Gesamtanlageneffektivität (OEE) deutlich.
2. Konstante Qualität der Verbindungselemente
Hartmetallwerkzeuge gewährleisten die Maßgenauigkeit über längere Zyklen hinweg. Das Ergebnis:
Engere Toleranzen: Die kompromisslose Härte von Hartmetall minimiert Maßabweichungen. Ingenieure können bei Befestigungslänge und Kopfdurchmesser für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbereich Toleranzen von ±0,05 mm sicher einhalten.
Reduzierte Gratbildung: Ein poliertes Hartmetallmatrize Die Öffnung in Kombination mit einem scharfen Hartmetallstempel erzeugt minimale Grate an den Kanten der Befestigungselemente. Dies reduziert den Nachentgratungsaufwand und verbessert die Gesamtästhetik und Passform des Produkts.
3. Kosteneffizienz über die gesamte Werkzeuglebensdauer
Während die anfängliche Investition in Hartmetallstempel und -matrize typischerweise das Zwei- bis Dreifache der Kosten für gehärteten Werkzeugstahl beträgt, zeigen Lebenszyklusanalysen niedrigere Kosten pro Teil, wenn folgende Faktoren berücksichtigt werden:
Reduzierte Werkzeugwechselzeit: Weniger Werkzeugwechsel reduzieren den Arbeitsaufwand und die Ausfallzeiten der Presse.
Minimierte Ausschussraten: Eine konsistente Werkzeuggeometrie sorgt für eine geringere Produktion außerhalb der Spezifikationen.
Geringerer Wartungsaufwand: Die Beständigkeit von Hartmetall gegenüber Mikrorissen und Verschleiß führt zu weniger Nachschärfzyklen.
4. Verbesserte Betriebseffizienz
Kompatibilität mit Hochgeschwindigkeitsschmieden: Hartmetall hält den hohen Belastungen und Temperaturen stand, die bei mehrstufigen Stauchpressen auftreten, sodass die Notwendigkeit langsamer, schwerer Pressvorgänge, die bei Stahlwerkzeugen häufig erforderlich sind, entfällt.
Bessere Wärmeableitung: Die Wärmeleitfähigkeit von Hartmetall ist höher als die von Werkzeugstählen. Diese Eigenschaft reduziert lokale Wärmeentwicklung, sorgt für eine optimale Schmierfilmkonsistenz und verhindert ein vorzeitiges Feststecken des Stempels in der Matrize.
Anwendungen in der modernen Verbindungselementproduktion
Hartmetall-Stempel- und Matrizensätze finden Anwendung in zahlreichen Befestigungsarten und Branchen:
Hochfeste Bolzen und Schrauben: Verbindungselemente in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Strukturbau erfordern oft Zugfestigkeiten von über 800 MPa. Hartmetallwerkzeuge bewältigen die damit verbundenen Schmiedebelastungen ohne vorzeitigen Verschleiß.
Befestigungselemente aus Edelstahl: Rostfreie Legierungen (z. B. AISI 304, 316) sind bekannt für ihre Kaltverfestigung und ihr Fressen. Hartmetallwerkzeuge verringern das Risiko des Fressens und verlängern die Lebensdauer bei der Herstellung von rostfreiem Draht.
Mikroverschlüsse: In der Elektronik und Medizintechnik ist für Mikroschrauben (M1–M3) höchste Präzision erforderlich. Da Hartmetall sich zu ultrafeinen Geometrien schleifen lässt (Kopfbereich < 0,2 mm), ist es für Formen für Mikrobefestigungen unverzichtbar.
Spezialscheiben und Muttern: Nicht standardmäßige Profile – wie Flansch-, Vierkant- und Kontermuttern – profitieren von der Fähigkeit des Hartmetalls, scharfe innere Profilecken beizubehalten und so eine ordnungsgemäße Passform und Funktion sicherzustellen.
Produktionslinien für hohe Stückzahlen: Automobilzulieferer der Stufe 1, die rund um die Uhr im Einsatz sind, verlassen sich häufig auf Stempel und Matrizen aus Hartmetall, um strenge Produktionspläne mit minimalen ungeplanten Ausfallzeiten einzuhalten.
Wartung und Pflege von Hartmetallstempeln und -matrizes
Um die Lebensdauer von Hartmetallwerkzeugen zu maximieren, halten Sie sich an die folgenden bewährten Vorgehensweisen:
1. Richtige Schmierung
Matrizenschmiermittel: Verwenden Sie leistungsstarke, temperaturbeständige Werkzeugöle oder -fette, die speziell für Hartmetallwerkzeuge entwickelt wurden. Diese Schmiermittel verhindern die Metallhaftung und leiten Wärme effektiv ab.
Frequenz: Tragen Sie das Schmiermittel bei jedem Wechsel der Matrizenöffnung oder nach 5.000–10.000 Hüben erneut auf, je nach Material und Pressengeschwindigkeit.
2. Regelmäßige Inspektion
Sichtprüfung: Überprüfen Sie Stempelspitzen und Matrizenöffnungen täglich auf Absplitterungen, Abrieb oder übermäßigen Verschleiß. Selbst geringfügige Absplitterungen können schnell zu einem katastrophalen Werkzeugausfall führen.
Maßprüfung: Messen Sie alle 50.000 Hübe (oder wie vom Werkzeuglieferanten empfohlen) kritische Abmessungen (z. B. Stempelspitzendurchmesser, Matrizenöffnung) mit einem Mikrometer oder optischen Komparator, um Verschleiß zu erkennen, bevor er die Teilequalität beeinträchtigt.
3. Kontrollierte Lagerung
Schutzbeschichtungen: Bei längerer Lagerung von Hartmetallstempeln sollten Stahlteile (z. B. Schaft) mit einem dünnen Rostschutzöl behandelt werden. Obwohl Hartmetall selbst korrosionsbeständig ist, erfordert die Kombination mit Stahlabstreifern und -platten eine sachgemäße Lagerung.
Separate Fächer: Bewahren Sie Hartmetallwerkzeuge in schaumstoffgefütterten Schränken mit einzelnen Fächern auf, um ein versehentliches Absplittern durch den Kontakt der Hartmetalle zu verhindern.
4. Nachschärfen & Aufarbeitung
Wann nachschärfen: Wenn der Dimensionsverschleiß im kritischen Abstand zwischen Stempel und Matrize 0,05 mm überschreitet, sollten Sie ein Nachschärfen in Erwägung ziehen. Ein zu großer Abstand führt zur Gratebildung und beeinträchtigt die Geometrie der Befestigungselemente.
Professioneller Service: Die Aufarbeitung von Hartmetallwerkzeugen erfordert spezielle Diamantschleifscheiben und erfahrene Techniker. Arbeiten Sie mit renommierten Werkzeugspezialisten zusammen, die sich mit Befestigungstoleranzen auskennen und Hartmetall wieder in den ursprünglichen Zustand versetzen können.
Abschluss
Die Investition in Hartmetallstempel und -matrizen ist eine strategische Entscheidung, die sich in der Herstellung von Verbindungselementen auszahlt, insbesondere da die Märkte höhere Stückzahlen, engere Toleranzen und niedrigere Stückkosten fordern. Die unübertroffene Härte, thermische Stabilität und Verschleißfestigkeit von Hartmetall führen zu weniger Werkzeugwechseln, gleichbleibender Teilequalität und reduzierten Gesamtbetriebskosten. Durch die sorgfältige Auswahl der richtigen Hartmetallsorte, die präzise Konstruktion von Stempel- und Matrizensätzen und die Einhaltung strenger Wartungsprotokolle können Hersteller das volle Potenzial von Hartmetallwerkzeugen für Bolzen, Bolzen, Schrauben und Muttern ausschöpfen.
Um die Nase vorn zu behalten, sollten Hersteller von Verbindungselementen mit erfahrenen Hartmetallspezialisten zusammenarbeiten, die die Feinheiten von Hochgeschwindigkeitspressen und komplexen Verbindungselementgeometrien kennen. Der Einsatz von Hartmetall-Stanz- und Matrizentechnologie macht nicht nur Produktionslinien zukunftssicher, sondern stärkt auch die Wettbewerbsfähigkeit auf einem zunehmend anspruchsvollen globalen Markt.
Sind Sie bereit, Ihre Befestigungswerkzeuge aufzurüsten?
Kontaktieren Sie unser Team von Hartmetallwerkzeugexperten, um Ihre spezifischen Anforderungen an Befestigungselemente, Materialien und Produktionsmengen zu besprechen. Gemeinsam entwickeln wir eine Hartmetall-Stempel- und Matrizenlösung, die die Effizienz maximiert, die Kosten senkt und gleichbleibende Qualität liefert – jedes einzelne Teil, jedes Mal.