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Metallerzeugung Walzen und industrielle Umformung – Ziehen von Drähten und Rohren erklären

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Metallerzeugung Walzen und industrielle Umformung – Ziehen von Drähten und Rohren erklären

Kurzbeschreibung: Querschnittsänderung und Werkzeug beim Walzen, Drahtziehen und Rohrziehen verstehen, vergleichen und für typische Ausbildungsaufgaben anwenden.

Zielgruppe: Ausbildung in metalltechnischen Berufen, besonders Produktionstechnik, Metalltechnik, Verfahrenstechnik und Werkstofftechnik.

Einleitung

Beim industriellen Umformen wird ein metallischer Werkstoff plastisch geformt, ohne dass sein stofflicher Zusammenhalt gezielt getrennt wird. In diesem Lernkurs vergleichst Du drei wichtige Verfahren: Walzen, Drahtziehen und Rohrziehen.

Im Mittelpunkt stehen zwei Fragen:

Wie verändert sich der Querschnitt?
Welches Werkzeug erzeugt diese Querschnittsänderung?

Walzen gehört zum Druckumformen. Draht- und Rohrziehen gehören beim Durchziehen zum Zugdruckumformen. Beim Ziehen wird die erforderliche Zugkraft auf der Auslaufseite eingeleitet, während das Ziehwerkzeug den Werkstoff gleichzeitig radial zusammendrückt.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Walzen anhand von Walzen, Walzspalt und Querschnittsänderung erklären.
Drahtziehen anhand von Ziehstein, Zugkraft und Querschnittsabnahme erklären.
Rohrziehen mit und ohne Innenwerkzeug unterscheiden.
Querschnittsänderungen berechnen und technisch bewerten.
typische Fehlerbilder mit Werkzeug, Reibung und Umformgrad verknüpfen.
Gefährdungen durch Einziehen, Quetschen, heiße Werkstoffe, Feuer, Abgase, Schmierstoffe und Brandlasten erkennen.

Lerneinheit 1: Walzen

Beim Walzen läuft das Werkstück zwischen rotierenden Walzen hindurch. Die Walzen üben Druck auf den Werkstoff aus. Der Querschnitt wird dadurch verändert; bei Flachprodukten nimmt typischerweise die Dicke ab und die Länge zu.

Werkzeug: Walzen bzw. Walzenpaar

Wirkprinzip: Druckkräfte im Walzspalt

Typische Produkte: Blech, Band, Stab, Profil, Schiene

Merksatz: Beim Walzen formt der Walzspalt den Werkstoff.

Warmwalzen und Kaltwalzen

Beim Warmwalzen ist der Werkstoff stark erwärmt. Die Umformkräfte können dadurch geringer sein und große Formänderungen sind möglich. Gleichzeitig bestehen besondere Gefahren durch hohe Temperaturen, Wärmestrahlung, Zunder, heiße Oberflächen und gegebenenfalls Prozessabgase.

Beim Kaltwalzen wird bei deutlich niedrigerer Werkstofftemperatur gearbeitet. Es sind hohe Kräfte möglich; Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität können sehr gut sein. Auch hier bestehen Gefährdungen durch Einzugsstellen, Quetschen, scharfkantige Bänder, Lärm, Kühlschmierstoffe sowie Brand- und Explosionsgefahren.

Lerneinheit 2: Drahtziehen

Beim Drahtziehen wird ein Draht durch eine kleinere Öffnung im Ziehwerkzeug gezogen. Der Ausgangsquerschnitt wird kleiner, der Draht wird länger.

Werkzeug: Ziehstein, Ziehdüse oder Matrize

Kraft: Zugkraft auf der Auslaufseite

Werkzeugwirkung: Die konische Werkzeugzone erzeugt zusätzlich Druck auf den Werkstoff.

Ergebnis: kleinerer Drahtdurchmesser, größere Länge

Die Werkzeuggeometrie beeinflusst Kraft, Reibung, Erwärmung und Oberflächenqualität. In industriellen Prozessen wird Draht häufig in mehreren Ziehstufen auf den gewünschten Enddurchmesser gebracht.

Querschnittsänderung beim Drahtziehen

Für einen runden Draht gilt:

$A = \frac{π d^{2}}{4}$

Die relative Querschnittsabnahme kann beschrieben werden durch:

$φ_{A} = \frac{A_{0} - A_{1}}{A_{0}}$

mit:

$A_{0}$ : Ausgangsquerschnitt
$A_{1}$ : Endquerschnitt
$d$ : Drahtdurchmesser

Wichtig: Eine Verringerung des Durchmessers um 10 % bedeutet nicht automatisch eine Verringerung der Querschnittsfläche um 10 %, weil die Fläche vom Quadrat des Durchmessers abhängt.

Lerneinheit 3: Rohrziehen

Beim Rohrziehen wird ein Rohr durch eine Ziehdüse gezogen. Anders als beim Vollmaterial muss zusätzlich die Innengeometrie betrachtet werden.

Werkzeug außen: Ziehdüse

mögliches Werkzeug innen: Dorn bzw. Stopfen

Ziele: Außendurchmesser, Innendurchmesser, Wanddicke, Maßhaltigkeit und Oberflächengüte beeinflussen.

Rohrziehen ohne Innenwerkzeug

Beim Ziehen ohne Dorn wirkt das Werkzeug direkt auf die Außenseite. Der Außendurchmesser kann gezielt verringert werden. Die Veränderung von Innendurchmesser und Wanddicke ergibt sich aus Werkstofffluss und Prozessbedingungen und ist weniger direkt geführt.

Rohrziehen mit festem Dorn

Ein fester Dorn begrenzt die Innenkontur. Die Kombination aus äußerer Ziehdüse und innerem Dorn ermöglicht eine gezieltere Einstellung von Außen- und Innendurchmesser sowie Wanddicke.

Rohrziehen mit beweglichem oder schwimmendem Innenwerkzeug

Je nach Verfahren kann sich das Innenwerkzeug relativ zum Rohr bewegen oder durch die Prozesskräfte in einer Arbeitslage gehalten werden. Damit lassen sich Rohrgeometrie und Oberflächen beeinflussen.

Vergleich der Werkzeuge

Verfahren	Hauptwerkzeug	Hauptbeanspruchung	typische Querschnittsänderung
Walzen	Walzenpaar	Druck	Dicke oder Profilquerschnitt wird verändert
Drahtziehen	Ziehstein	Zug und Druck	Drahtquerschnitt wird kleiner
Rohrziehen	Ziehdüse, gegebenenfalls Dorn	Zug und Druck	Außen- und gegebenenfalls Innenquerschnitt werden verändert

Ausbildungsfall: Präzisionsrohr für eine Hydraulikleitung

Ein Betrieb fertigt ein nahtloses Rohr für eine Hydraulikleitung. Das Vormaterial besitzt einen Außendurchmesser von 20 mm und einen Innendurchmesser von 16 mm. Nach einer Ziehstufe soll der Außendurchmesser 18 mm und der Innendurchmesser 14,5 mm betragen.

Deine Aufgabe als Auszubildende oder Auszubildender ist es, die Querschnittsänderung zu beurteilen und ein geeignetes Werkzeugprinzip zu begründen.

Schritt 1: Metallquerschnitt bestimmen

Für einen Rohrquerschnitt gilt:

$A = \frac{π}{4} (D^{2} - d^{2})$

mit:

$D$ : Außendurchmesser
$d$ : Innendurchmesser

Ausgang:

$A_{0} = \frac{π}{4} (2 0^{2} - 1 6^{2}) \approx 113,1 m m^{2}$

Ende:

$A_{1} = \frac{π}{4} (1 8^{2} - 14, 5^{2}) \approx 89,3 m m^{2}$

Die Metallquerschnittsfläche wird damit um etwa 21 % reduziert.

Schritt 2: Werkzeug auswählen

Da nicht nur der Außendurchmesser, sondern auch der Innendurchmesser gezielt eingestellt werden soll, ist ein Verfahren mit Innenwerkzeug sinnvoll. Ein Dorn unterstützt die Führung der Innenkontur und damit die Einstellung der Wanddicke.

Schritt 3: Prozess beobachten

Achte in einer betrieblichen Anlage insbesondere auf:

Einlauf und Auslauf des Werkstücks
Lage und Zustand des Ziehwerkzeugs
Schmierung
Oberfläche des Werkstücks
Geräusche und ungewöhnliche Schwingungen
Temperaturentwicklung
Schutz- und Absaugeinrichtungen

Gestufte Hilfen zum Ausbildungsfall

Hilfe 1: Ansatz

Berechne nicht mit dem Außendurchmesser allein. Ein Rohr besitzt einen Ringquerschnitt.

Hilfe 2: Formel

Nutze:

$A = \frac{π}{4} (D^{2} - d^{2})$

Berechne zuerst $A_{0}$ und anschließend $A_{1}$ .

Hilfe 3: Bewertung

Wenn Außen- und Innenkontur gezielt vorgegeben sind, reicht eine äußere Ziehdüse allein für eine präzise Innenführung häufig nicht aus. Prüfe deshalb ein Dornverfahren.

Prozessfehler erkennen

Zu hohe Reibung

Mögliche Folgen sind höhere Ziehkraft, stärkere Erwärmung, Werkzeugverschleiß und Oberflächenfehler. Ursachen können eine ungeeignete Schmierung, verschlissene Werkzeuge oder ungünstige Prozessparameter sein.

Zu große Querschnittsabnahme in einer Stufe

Eine zu starke Umformung kann die erforderliche Ziehkraft erhöhen und Werkstoff oder Werkzeug überlasten. Deshalb werden große Gesamtumformungen häufig auf mehrere Stufen verteilt.

Werkzeugverschleiß

Verschleiß verändert die wirksame Werkzeuggeometrie. Das kann Maßabweichungen, Riefen und erhöhte Prozesskräfte verursachen.

Sicherheit: Walzen, Ziehen und heiße Werkstoffe

Praktische Demonstrationen dürfen nur fachlich angeleitet und mit der dafür vorgesehenen betrieblichen oder schulischen Ausrüstung durchgeführt werden. Keine unbeaufsichtigten Versuche.

Einziehen und Quetschen

Walzen, Rollen, Ziehscheiben und bewegte Werkstücke können Einzugs-, Quetsch- und Scherstellen bilden. Hände, Kleidung, Handschuhe oder Gegenstände dürfen nicht in laufende Einzugsbereiche gelangen. Schutzhauben, Verriegelungen und festgelegte Bedienpositionen sind einzuhalten.

Heiße Werkstoffe

Warmgewalztes Material kann so heiß sein, dass schwere Verbrennungen durch Berührung oder Wärmestrahlung entstehen. Glühendes Material darf nicht anhand der sichtbaren Farbe allein als ungefährlich bewertet werden. Auch dunkler wirkende Metallteile können noch sehr heiß sein.

Feuer und Brandgefahren

Heiße Werkstoffe, Funken und heiße Oberflächen können Schmierstoffe, Ablagerungen oder andere brennbare Stoffe entzünden. Brennbare Materialien gehören nicht in gefährdete Zonen. Brand- und Explosionsschutz sowie betriebliche Freigaben und Löschkonzepte sind einzuhalten.

Abgase und Dämpfe

Beim Erhitzen von Metallen und bei thermischen Prozessen können Abgase, Dämpfe oder Zersetzungsprodukte entstehen. Diese dürfen nicht eingeatmet werden. Vorhandene technische Absaugungen und Lüftungseinrichtungen müssen bestimmungsgemäß betrieben werden.

Kühlschmierstoffe und Ziehmittel

Ziehmittel und Kühlschmierstoffe können Haut, Atemwege und Brandverhalten beeinflussen. Für den konkreten Stoff gelten Betriebsanweisung, Sicherheitsdatenblatt und betriebliche Schutzmaßnahmen.

Sicheres Verhalten in der Ausbildung

Maschinen nur nach Unterweisung und Freigabe bedienen.
Schutzeinrichtungen niemals umgehen.
Heiße Teile nur mit festgelegten Hilfsmitteln handhaben.
Störungen nicht in laufenden Anlagen beseitigen.
Vor Eingriffen sichere Stillsetzung nach betrieblichem Verfahren abwarten.
Absaugung und Brandschutz nicht außer Betrieb setzen.
Keine improvisierten Draht-, Rohr- oder Warmumformversuche durchführen.

Medien- und Quellenprüfung

Die eingebundenen Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Die jeweiligen Dateiseiten enthalten Urheber- und Lizenzangaben. Verwendet werden ausschließlich dort nachgewiesene Dateien.

Fachliche Grundlage für die Verfahrenseinordnung und Sicherheit sind insbesondere:

DIN 8583 – Druckumformen für die Einordnung des Walzens.
DIN 8584 – Zugdruckumformen für das Durchziehen.
DGUV: Themenfeld Walzwerke.
DGUV Regel 109-609 Branche Kaltwalzwerke.
DGUV Informationen für den Bildungsbereich Metall.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Werkzeug bestimmt beim Walzen wesentlich den Walzspalt? (Walzenpaar) (!Ziehstein) (!Bohrer) (!Fräser)

Zu welcher Hauptgruppe gehört Walzen? (Druckumformen) (!Spanen) (!Fügen) (!Beschichten)

Wo wird beim Durchziehen die erforderliche Zugkraft eingeleitet? (Auf der Auslaufseite) (!Nur im Werkstoffkern) (!Im Kühlmittel) (!Im Ofen)

Welches Werkzeug wird beim Drahtziehen typischerweise verwendet? (Ziehstein) (!Walzenpaar) (!Schneidstempel) (!Bohrkrone)

Was geschieht beim Drahtziehen typischerweise mit dem Querschnitt? (Er wird kleiner) (!Er bleibt immer gleich) (!Er wird ausschließlich hohl) (!Er wird abgespant)

Wozu dient ein Dorn beim Rohrziehen? (Zur Führung der Innenkontur) (!Zum Abschneiden des Rohres) (!Zum Schmelzen des Werkstoffs) (!Zum Lackieren des Rohres)

Welche Größe muss bei einem Rohr zusätzlich zum Außendurchmesser berücksichtigt werden? (Innendurchmesser) (!Farbe) (!Herstellerlogo) (!Verpackungslänge)

Welche Gefahr ist an rotierenden Walzen besonders typisch? (Einziehen) (!Sonnenbrand) (!Unterkühlung) (!Wasserdruck)

Welche Aussage zu heißem Walzgut ist richtig? (Es kann schwere Verbrennungen verursachen) (!Es ist nur gefährlich wenn es weiß glüht) (!Es darf ohne Unterweisung angefasst werden) (!Es erzeugt keine Brandgefahr)

Wie sind praktische Umformversuche in der Ausbildung durchzuführen? (Fachlich angeleitet) (!Unbeaufsichtigt) (!Ohne Schutzeinrichtungen) (!Mit improvisierten Maschinen)

Memory

Walzen	Druckumformen
Ziehstein	Drahtziehen
Dorn	Innenkontur
Walzspalt	Dickenänderung
Ziehkraft	Auslaufseite
Absaugung	Abgase

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Walzenpaar	Walzen
Ziehstein	Drahtziehen
Dorn	Rohrinnenkontur
Absaugung	Abgase
Schutzeinrichtung	Einzugsstelle

Kreuzworträtsel

Walzen	Welches Werkzeugpaar formt Werkstoff im Walzspalt?
Ziehstein	Wie heißt ein typisches Werkzeug beim Drahtziehen?
Querschnitt	Welche geometrische Größe wird beim Ziehen verkleinert?
Dorn	Welches Innenwerkzeug kann beim Rohrziehen eingesetzt werden?
Reibung	Welche Wirkung erhöht häufig Ziehkraft und Erwärmung?
Absaugung	Welche technische Einrichtung führt belastete Prozessluft ab?

LearningApps

Lückentext

Beim Walzen wird Metall zwischen rotierenden

plastisch umgeformt.

Beim Drahtziehen wird der Werkstoff durch einen

gezogen.

Die Zugkraft beim Durchziehen wird auf der

eingeleitet.

Beim Rohrziehen kann ein

die Innenkontur führen.

Eine große Querschnittsabnahme erhöht häufig die erforderliche

.

Heiße Werkstoffe können schwere

verursachen.

Brennbare Stoffe müssen wegen der

von heißen Prozesszonen ferngehalten werden.

Prozessabgase sind mit geeigneter technischer

abzuführen.

Praktische Demonstrationen erfolgen nur fachlich

.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgaben

Werkzeug erkennen: Ordne Walzenpaar, Ziehstein und Dorn den drei Verfahren zu. Feedback: Eine richtige Zuordnung zeigt, dass Du Werkzeug und Prozessprinzip unterscheiden kannst.
Querschnitt beschreiben: Erkläre in zwei Sätzen, wie sich ein Draht beim Ziehen verändert. Feedback: Nenne mindestens kleineren Querschnitt und größere Länge.
Sicherheitszeichen: Benenne zwei Gefährdungen an einem Warmwalzwerk. Feedback: Geeignet sind zum Beispiel Einziehen, Quetschen, Hitze, Brand oder Abgase.

Anwendungsaufgaben

Drahtquerschnitt: Ein Draht wird von 8 mm auf 6 mm Durchmesser gezogen. Berechne beide Querschnittsflächen und die relative Querschnittsabnahme. Feedback: Nutze die Kreisfläche; vergleiche Flächen, nicht nur Durchmesser.
Werkzeugwahl Rohr: Begründe, warum ein Dorn sinnvoll ist, wenn Innen- und Außendurchmesser eng toleriert sind. Feedback: Entscheidend ist die zusätzliche Führung der Innenkontur.
Fehleranalyse Ziehen: Ein gezogener Draht zeigt Riefen und die Ziehkraft steigt. Nenne zwei plausible Ursachen. Feedback: Werkzeugverschleiß und unzureichende Schmierung sind technisch begründete Ansätze.

Transferaufgaben

Prozesskette: Plane eine Prozessfolge für eine große Querschnittsabnahme, ohne eine einzige extrem starke Ziehstufe zu verwenden. Feedback: Mehrere abgestimmte Ziehstufen verteilen Umformung und Belastung.
Gefährdungsbeurteilung: Entwickle für eine angeleitete Demonstration am stillgesetzten Schulungsmodell fünf Schutzmaßnahmen. Feedback: Trenne technische, organisatorische und persönliche Maßnahmen.
Qualität und Sicherheit: Erkläre, warum eine schlechte Schmierung gleichzeitig Qualitäts-, Werkzeug- und Sicherheitsprobleme verursachen kann. Feedback: Verknüpfe Reibung, Wärme, Verschleiß, Kraftbedarf und mögliche Störungen.

Offene Aufgaben

Leicht

Werkzeugskizze: Zeichne einen Walzspalt und beschrifte Walzen, Werkstück, Einlauf und Auslauf.
Ziehsteinmodell: Erstelle eine schematische Zeichnung eines Ziehsteins mit Einlauf, Umformzone und Auslauf. Kein praktischer Drahtziehversuch.
Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat zu Einziehen, Quetschen, heißen Oberflächen, Feuer und Abgasen.
Medienanalyse: Vergleiche zwei der eingebundenen Prozessbilder und markiere sichtbare Werkzeuge und Gefahrenbereiche.

Standard

Messaufgabe Draht: Entwickle eine Tabellenkalkulation, die aus Anfangs- und Enddurchmesser die Querschnittsabnahme berechnet.
Rohrquerschnitt: Erstelle drei eigene sichere Rechenbeispiele zum Ringquerschnitt und gib vollständige Lösungen an.
Betriebsinterview: Befrage unter Anleitung eine Fachkraft, welche Qualitätsmerkmale beim Ziehen überwacht werden.
Prozessvergleich: Erstelle eine Vergleichsgrafik zu Walzen, Drahtziehen und Rohrziehen mit Werkzeug, Kraftwirkung und Produkt.

Schwer

Fehlerbaum: Entwickle einen Fehlerbaum für zu hohe Ziehkraft mit mindestens vier Ursachen und passenden Prüfmaßnahmen.
Werkzeugkonzept: Begründe für ein Präzisionsrohr, ob ohne Dorn, mit festem Dorn oder mit beweglichem Innenwerkzeug gearbeitet werden sollte.
Sicherheitsanalyse: Analysiere eine industrielle Walz- oder Ziehanlage anhand veröffentlichter Betriebsinformationen. Keine Eingriffe in Maschinen und keine unbeaufsichtigten Versuche.
Lernvideo: Produziere ein kurzes Erklärvideo mit Zeichnungen oder sicheren Modellen. Zeige keine riskanten Nachstellungen mit heißen Werkstoffen, Feuer oder laufenden Maschinen.

Lernkontrolle

Prozessentscheidung: Für ein Präzisionsrohr sind Außen- und Innendurchmesser eng toleriert. Wähle ein geeignetes Ziehprinzip und begründe die Werkzeugwahl.
Fehlerdiagnose: Bei einer Drahtziehstufe steigen Kraft und Werkstücktemperatur. Leite mindestens drei mögliche Ursachen und passende Prüfungen ab.
Vergleich Umformverfahren: Erkläre, warum Walzen als Druckumformen und Durchziehen als Zugdruckumformen eingeordnet werden.
Sicherheitskonzept: Entwickle für eine Lehrwerkstatt ein Schutzkonzept für eine Demonstration am Walzwerksmodell. Beziehe Einziehen, Quetschen, Hitze, Feuer und Abgase ein.
Transfer Querschnitt: Erkläre, warum eine prozentuale Durchmesserabnahme nicht mit derselben prozentualen Flächenabnahme gleichgesetzt werden darf.
Qualitätsregelkreis: Entwirf einen einfachen Regelkreis aus Messgröße, Sollwert, möglicher Abweichung und Prozessanpassung für das Rohrziehen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

Walzen, Drahtziehen und Rohrziehen fachlich unterscheiden kannst.
die jeweils wirksamen Werkzeuge benennen und skizzieren kannst.
Kreis- und Ringquerschnitte sicher berechnen kannst.
Querschnittsabnahmen technisch interpretieren kannst.
Werkzeugwahl und Prozessfolge begründen kannst.
typische Fehlerbilder mit Reibung, Werkzeugzustand und Umformung verknüpfen kannst.
Gefährdungen durch Einziehen, Quetschen, heiße Werkstoffe, Feuer, Abgase und Betriebsstoffe erkennst.
erklärst, warum praktische Demonstrationen nur fachlich angeleitet stattfinden dürfen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Metalltechnik

Quellen und Medienrechte

DIN Media: DIN 8583-1, Fertigungsverfahren Druckumformen – Allgemeines, Einordnung, Unterteilung und Begriffe.
Wikipedia: Durchziehen – Einordnung nach DIN 8584 und Grundprinzip des Durchziehens.
Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: Themenfeld Walzwerke.
DGUV Regel 109-609: Branche Kaltwalzwerke.
Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: Bildungsbereich Metall.
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