Mehrpass‑Flachdrahtwalzen: Reduktion, Passplan und Maßkontrolle

Einleitung

Die Herstellung von Präzisions‑Flachdraht findet nur selten in einem einzigen Walzdurchgang statt.

Wenn Runddraht zu einem rechteckigen oder flachen Profil umgeformt wird, muss das Material einer kontrollierten Verformung unterzogen werden, um folgende Anforderungen zu erfüllen:

• Dicke
• Breite
• Querschnittsform
• Randzustand
• Oberflächenqualität
• Maßtoleranz

Aus diesem Grund kommt das Mehrpass‑Walzen bei der Fertigung von Präzisions‑Flachdraht weit verbreitet zum Einsatz.

Anstatt die Endabmessung durch eine starke Reduktion in einem einzigen Durchgang zu erzielen, wird die gesamte Verformung auf mehrere Walzdurchgänge verteilt.

Ein sorgfältig ausgelegter Passplan ermöglicht Herstellern die Steuerung des Materialflusses, der Walzkraft, der Kaltverfestigung und der Maßgenauigkeit über den gesamten Produktionsprozess.

Bei hochfesten Werkstoffen wie Federstahl gewinnt der Passplan besondere Bedeutung, da eine übermäßige Verformung in einem einzelnen Durchgang folgende Risiken erhöhen kann:

• Randrisse
• Oberflächenfehler
• Übermäßige Kaltverfestigung
• Maßinstabilität
• Drahtbruch

Das Mehrpass‑Walzen ist also nicht bloß ein Verfahren zur Verkleinerung des Drahtquerschnitts.

Es handelt sich um eine verfahrenstechnische Strategie zur Steuerung der Materialverformung vom Eingangsdraht bis zum fertigen Flachdraht.

Sky Bluer Environmental Technology Co., Ltd. (CRM) entwickelt kundenspezifische Präzisions‑Walzsysteme und komplette Flachdraht‑Produktionslinien abgestimmt auf Werkstoffgüte, Eingangsabmessung, Fertigmaße, Toleranzen und Produktionsanforderungen.

Was ist das Mehrpass‑Flachdrahtwalzen?

Beim Mehrpass‑Flachdrahtwalzen wird die erforderliche Gesamtverformung auf mehrere gesteuerte Walzstufen aufgeteilt.

Ein vereinfachter Prozessablauf stellt sich wie folgt dar:

Runddraht → Durchgang 1 → Durchgang 2 → Durchgang 3 → Zwischenflachprofil → Fertigdurchgänge → Endflachdraht

Jeder Durchgang realisiert eine definierte Verformung.

Ziel ist es, den ursprünglichen Querschnitt schrittweise umzuformen und gleichzeitig einen stabilen Materialfluss aufrechtzuerhalten.

Beispielsweise muss ein Runddraht zu einem rechteckigen Flachdraht mit deutlich geringerer Dicke und größerer Breite umgeformt werden.

Versucht man die gesamte Umformung in nur einem Durchgang durchzuführen, entstehen übermäßige Walzkräfte und ein instabiler Materialfluss.

Beim Mehrpass‑Verfahren wird die Verformung verteilt, sodass jede Stufe separat optimiert werden kann.

Warum ist ein Passplan erforderlich?

Der Passplan definiert, wie das Material von der Ausgangsgröße auf die Endabmessung heruntergewalzt wird.

Er legt fest:

• Reduktion pro Durchgang
• Anzahl der Walzdurchgänge
• Zwischenabmessungen
• Walzreihenfolge
• Endbedingungen für den Fertigprozess

Vereinfachtes Beispiel:

Stufe	Dicke	Breite	Hauptziel
Eingang	2,00 mm rund	—	Rohmaterial
Durchgang 1	—	—	Anfangsverformung
Durchgang 2	—	—	Gesteuerte Breitenentwicklung
Durchgang 3	—	—	Dickenreduktion
Durchgang 4	—	—	Profilstabilisierung
Fertigung	Endmaß	Endmaß	Endgültige Maßkontrolle

Die exakten Werte hängen von Werkstoff, Ausgangsdurchmesser, Endabmessungen und der Walzanlage ab.

Es gibt keinen universell gültigen Passplan für alle Produkte.

Verständnis der Reduktion beim Flachdrahtwalzen

Die Reduktion beschreibt den Umfang der Materialverformung innerhalb eines Walzdurchgangs.

Für die Dickenreduktion gilt folgende grundlegende Berechnung:

Dickenreduktion (%) = (h₀ − h₁) / h₀ × 100 %

Wobei:

h₀ = Dicke vor dem Walzen

h₁ = Dicke nach dem Walzen

Beispiel: Die Materialdicke ändert sich von 2,00 mm auf 1,60 mm:

Reduktion = (2,00 − 1,60) / 2,00 × 100 % = 20 %

Allein die Dickenreduktion beschreibt jedoch nicht das vollständige Verformungsverhalten des Flachdrahts.

Gleichzeitig kann das Material folgende Vorgänge durchlaufen:

• Dickenreduktion
• Breitung
• Längung
• Querschnittsumformung

Daher muss bei der Passauslegung der gesamte Materialfluss berücksichtigt werden.

Gesamtreduktion gegenüber Reduktion pro Durchgang

Zwei Begriffe sind von besonderer Bedeutung.

Gesamtreduktion

Bezeichnet die gesamte Verformung zwischen Ausgangswerkstoff und Fertigprodukt.

Reduktion pro Durchgang

Beschreibt die Verformung innerhalb jeder einzelnen Walzstufe.

Beispiel:

Ausgangsdraht → 10 % Reduktion → 12 % Reduktion → 15 % Reduktion → 12 % Reduktion → Fertigdurchgang

Die Gesamtverformung wird auf mehrere Stufen verteilt und nicht in einem einzigen Durchgang konzentriert.

Dieses Vorge ermöglicht eine bessere Steuerung von:

• Walzkraft
• Materialfluss
• Kaltverfestigung
• Randausbildung
• Maßgenauigkeit

Probleme durch übermäßige Reduktion in einem Durchgang

Hohe Einzelreduktionen in einem Durchgang bringen mehrere Herausforderungen mit sich.

Hohe Walzkraft

Größere Verformungen erfordern höhere Walzkräfte. Dadurch steigt die mechan Belastung von:

• Walzen
• Lagern
• Antriebssystem
• Maschinenrahmen

Ungleichmäßiger Materialfluss

Starke Verformungen erschweren die Aufrechterhaltung eines stabilen Rechteckprofils.

Kaltverfestigung

Bei kaltgewalztem Federstahl führt übermäßige Verformung zu einem schnellen Anstieg der Härte und einer Verminderung der Duktilität.

Randrisse

Hohe Verformung in Kombination mit ungeeigneten Materialbedingungen erhöht die Randspannung und das Rissrisiko.

Maßinstabilität

Starke Verformungen erschweren die präzise Steuerung von Breite und Dicke.

Aus diesem Grund darf die Reduktion nicht einfach maximiert, sondern verfahrenstechnisch ausgelegt werden.

Auslegung eines Mehrpass‑Walzplans

Ein praxistauglicher Passplan berücksichtigt mehrere Einflussfaktoren.

Werkstoff

Erster Gesichtspunkt ist die Werkstoffgüte. Verschiedene Werkstoffe weisen unterschiedliche Eigenschaften auf:

• Streckgrenze
• Zugfestigkeit
• Duktilität
• Kaltverfestigungsverhalten
• Verformungswiderstand

Beispielsweise erfordert hochkohlenstoffhaltiger Federstahl andere Prozessbedingungen als niedriggekohlter Stahl oder Kupfer.

Eingangsabmessung

Der Ausgangsdrahtdurchm bestimmt die erforderliche Gesamtverformung. Ein größerer Ausgangsdurchm kann mehr Walzdurchgänge erfordern, um die gewünschten Endabmessungen zu erreichen.

Endabmessungen

Zielbreite und Zieldicke legen das endgültige Verformungsverhältnis fest. Produkte mit hohem Breite‑Dicke‑Verhältnis erfordern eine besonders sorgfältige Steuerung des Materialflusses.

Erforderliche Toleranz

Produkte mit sehr engen Maßtoleranzen benötigen in der Regel dedizierte Fertigdurchgänge. Grobverformung und endgültige Präzisionssteuerung sollten nicht unbedingt unter gleichen Bedingungen ausgeführt werden.

Grob‑, Zwischen‑ und Fertigdurchgänge

Das Mehrpass‑Verfahren gliedert sich im Allgemeinen in drei Stufen.

Grobdurchgänge

Ziel ist die Realisierung eines großen Anteils der Gesamtverformung.

Hauptziele:

• Schnelle Maßverkleinerung
• Stabile Materialumformung
• Effiziente Produktion

In dieser Stufe hat die Maßtoleranz eine geringere Bedeutung als im Fertigbereich.

Zwischendurchgänge

In der Zwischenstufe wird das Material schrittweise auf das geforderte Profil hingearbeitet.

Hauptziele:

• Breitenentwicklung
• Dickenreduktion
• Profilstabilisierung
• Gesteuerte Kaltverfestigung

Diese Stufe stellt den Übergang zwischen starker Verformung und der präzisen Fertigwalzung dar.

Fertigdurchgänge

Die abschließenden Durchgänge konzentrieren sich auf:

• Enddicke
• Endbreite
• Randgeometrie
• Oberflächenqualität
• Maßtoleranz

Fertigdurchgänge müssen unter sehr stabilen Bedingungen betrieben werden. An dieser Stelle sind präzises Walzendesign und die Online‑Messung besonders wichtig.

Breite und Dicke müssen gemeinsam gesteuert werden

Eine der größten Herausforderungen beim Flachdrahtwalzen besteht darin, dass Dicke und Breite nicht unabhängig voneinander verhalten.

Wenn die Dicke abnimmt, kann das Material seitlich fließen und die Breite vergrößern.

Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang:

Dickenreduktion → Materialfluss → Breitung → Endprofil

Berücksichtigt der Passplan nur die Dicke, kann die Endbreite vom Sollwert abweichen.

Ein gut ausgelegter Passplan berücksichtigt beide Größen:

• Dickenreduktion
• Breitenentwicklung

Dies ist besonders relevant bei schmalen Flachdrähten mit engen Breitetoleranzen.

Querschnittsfläche und Materialerhaltung

Beim Walzen findet eine plastische Verformung des Werkstoffs statt. Unter Vernachlässigung kleiner Prozesseffekte besteht ein ungefährer Zusammenhang zwischen Querschnittsfläche, Verformung und Längung.

Vereinfachte Beziehung:

A₀ × L₀ ≈ A₁ × L₁

Wobei:

A₀ = Ausgangsquerschnittsfläche

L₀ = Ausgangslänge

A₁ = Endquerschnittsfläche

L₁ = Endlänge

Mit abnehmender Querschnittsfläche wird das Material im Allgemeinen länger.

Aus diesem Grund müssen Walzgeschwindigkeit, Zugspannung und Aufwickelgeschwindigkeit auf den Verformungsprozess abgestimmt werden. Dies steht in direktem Zusammenhang mit den Grundsätzen der Zugspannungssteuerung.

Passplan und Kaltverfestigung des Werkstoffs

Kaltwalzen erhöht die Werkstofffestigkeit durch Kaltverfestigung.

Bei Federstahl kann dies vorteilhaft sein, da häufig eine hohe Festigkeit gefordert wird.

Übermäßige Kaltverfestigung mindert jedoch die Duktilität und erhöht das Risiko von Rissen.

Das Mehrpass‑Verfahren ermöglicht eine bessere Steuerung der Verformungsakkumulation. Ingenieure bewerten:

• Reduktion pro Durchgang
• Gesamte Kaltverformung
• Zwischenzustand des Materials
• Erforderliche Fertigverformung

Ziel ist es, die geforderten mechanischen und maßlichen Eigenschaften zu erzielen, ohne übermäßige Verformungsspannungen zu erzeugen.

Dies hängt eng mit der Eigenspannungskontrolle bei der Herstellung von kaltgewalztem Flachdraht zusammen.

Passplan und Randqualität

Die Randqualität ist eines der wichtigsten Merkmale von Präzisions‑Flachdraht.

Mängel bei der Passauslegung können folgende Fehler verursachen:

• Randrisse
• Randwelligkeit
• Ungleichmäßiger Randradius
• Übermäßige Randverformung

Die Walzengeometrie muss den Materialfluss kontrolliert führen. Einflussfaktoren sind:

• Walzendurchmesser
• Nutengeometrie
• Reduktion pro Durchgang
• Werkstofffestigkeit
• Breite‑Dicke‑Verhältnis

Ein gut ausgelegter Passplan formt das Endprofil schrittweise, anstatt das Material unmittelbar in die endgültige Geometrie zu zwingen.

Passplan und Oberflächenqualität

Der Walzpassplan beeinflusst zudem die Oberflächenqualität.

Mögliche Fehler:

• Walzriefen
• Kratzer
• Streuung der Oberflächenrauheit
• Lokale Verformungsmarken

Der Zustand der Walzen ist entscheidend. Präzisionswalzen mit geeigneter Oberflächenbeschaffenheit helfen, Oberflächenfehler in den Fertigdurchgängen zu minimieren.

Walzgeschwindigkeit und Schmierbedingungen wirken sich ebenfalls auf die fertige Oberfläche aus.

Daher muss die Fertigstufe sowohl unter Berücksichtigung der Maßgenauigkeit als auch der Oberflächenqualität ausgelegt werden.

Mehrpass‑Walzen und Zugspannungssteuerung

Passplan und Zugspannungssteuerung müssen gemeinsam betrachtet werden.

Während des Walzens durchläuft das Material kontinuierlich verschiedene Verformungszonen. Bei instabiler Zugspannung kann es zu folgenden Effekten kommen:

• Veränderter Materialfluss
• Schwankende Walzkräfte
• Instabile Dickenwerte
• Drahtbruch

Ein abgestimmtes System besteht aus: Abwickler → Walzdurchgänge → Tänzer / Zugspannungssteuerung → Aufwickler

Eine stabile Zugspannung ermöglicht vorhersehbare Betriebsbedingungen der Walzanlage.

Weitere Informationen: Zugspannungssteuerung beim Präzisions‑Flachdrahtwalzen: Abwickler‑, Tänzer‑ und Aufwicklersysteme.

Mehrpass‑Walzen und Online‑Maßmessung

Moderne Präzisions‑Walzanlagen integrieren eine Online‑Messung während der Produktion.

Gängige Messtechnologien:

• Laser‑Dickenmessung
• Laser‑Breitenmessung
• Profilvermessung

Das System vergleicht laufend die Ist‑Maße mit den Sollwerten.

Vereinfachter Ablauf: Walzen → Online‑Messung → Ist‑Maß → Vergleich mit Sollwert → Steuerung / Nachregelung → Stabilisiertes Produkt

Dadurch lassen sich Maßabweichungen deutlich früher erkennen als bei herkömmlichen Stichproben außerhalb der Prozesslinie. Dies bildet zudem die Grundlage für die geschlossene Prozesssteuerung. Siehe: Geschlossene Dickenregelung für Präzisionswalzwerke.

Beispiel für einen Mehrpass‑Flachdrahtprozess

Ausgangslage: Ein Rundstahldraht soll zu einem präzisen rechteckigen Flachdraht umgeformt werden.

Der allgemeine Prozessablauf sieht wie folgt aus:

Stufe 1 — Abwickeln

Der Rohdraht wird unter kontrollierter Zugspannung von der Spule abgewickelt.

Stufe 2 — Richten

Der Draht wird vor Eintritt in die Walzstrecke ausgerichtet.

Stufe 3 — Anfangswalzen

Der runde Querschnitt beginnt sich zu einem flacheren Profil umzuformen.

Stufe 4 — Zwischenwalzen

Die Dicke nimmt ab, während die Breite ausgebildet wird.

Stufe 5 — Profilsteuerung

Die Rechteckgeometrie nähert sich schrittweise dem Sollprofil an.

Stufe 6 — Fertigwalzen

Zielbreite und Zieldicke werden erreicht.

Stufe 7 — Online‑Messung

Die fertigen Abmessungen werden laufend überwacht.

Stufe 8 — Aufwickeln

Der fertige Flachdraht wird zu einer kontrollierten Spule aufgewickelt.

Die tatsächliche Anzahl der Durchgänge hängt vom konkreten Werkstoff und den Produktanforderungen ab.

Optimierung der Anzahl der Walzdurchgänge

Mehr Durchgänge bedeuten nicht automatisch eine bessere Qualität.

Zu wenige Durchgänge können verursachen:

• Übermäßige Verformung pro Durchgang
• Hohe Walzkräfte
• Randrisse
• Schlechte Profilsteuerung

Zu viele Durchgänge können verursachen:

• Geringere Produktionseffizienz
• Erhöhte Anlagenkomplexität
• Zusätzliche Kaltverfestigung
• Höhere Herstellkosten

Die optimale Durchgangszahl stellt also ein Gleichgewicht dar zwischen:

Qualität + Produktivität + Werkstoffverhalten + Anlagenkapazität

Die beste Lösung ergibt sich aus dem gesamten Prozess und nicht aus einer fest vorgegebenen Durchgangszahl.

Mehrpass‑Walzen für Federstahl‑Flachdraht

Federstahl‑Flachdraht ist eine besonders anspruchsvolle Anwendung.

Werkstoffe wie:

• SAE1070
• SAE1095
• 60Si2Mn
• SUP10

erfordern eine sorgfältig eingestellte Kaltverformung.

Beim Walzprozess müssen folgende Eig ausgewogen werden:

• Festigkeit
• Duktilität
• Maßgenauigkeit
• Oberflächenqualität
• Eigenspannungen
• Ermüdungsverhalten

Für Federanwendungen ist der Passplan entsprechend der Werkstoffgüte und dem späteren Einsatzzweck auszulegen.

Ein Passplan, der für eine Federstahlgüte entwickelt wurde, darf nicht ohne Prozessvalidierung automatisch auf eine andere Güte übertragen werden.

Fehlerbehebung beim Mehrpass‑Walzen

Bei auftretenden Fehlern muss der gesamte Passplan überprüft werden.

Problem	Mögliche Ursache	Empfohlene Maßnahme
Randrisse	Übermäßige Reduktion	Verformung pro Durchgang verringern
Breitenabweichung	Ungünstiger Materialfluss	Passgeometrie optimieren
Dickenschwankungen	Instabiler Walzspalt	Steuerungssystem verbessern
Oberflächenfehler	Walzenzustand	Walzenoberfläche prüfen / verbessern
Drahtbruch	Übermäßige Zugspannung oder Reduktion	Zugspannung und Reduktion optimieren
Schlechte Geradheit	Ungleichmäßige Verformung	Passreihenfolge und Zugspannung überprüfen
Übermäßige Kaltverfestigung	Zu hohe Kaltverformung	Verteilung der Gesamtreduktion optimieren

Die korrekte Lösung muss immer an Werkstoff, Anlage und realen Produktionsbedingungen angepasst sein.

CRM‑Lösungen für das präzise Mehrpass‑Walzen

Sky Bluer Environmental Technology Co., Ltd. (CRM) entwickelt kundenspezifische Präzisions‑Walzsysteme für:

• Federstahl‑Flachdraht
• Edelstahl‑Flachdraht
• Kohlenstoffstahl‑Flachdraht
• Kupfer‑Flachdraht
• Legierungsstahl‑Flachdraht
• Präzisionsprofil‑Draht

Unsere ingenieurtechnische Vorgehensweise integriert:

✓ Werkstoffanalyse

✓ Passplanauslegung

✓ Präzisionswalzen‑Design

✓ Walzwerkauswahl

✓ Zugspannungssteuerung

✓ Laser‑Online‑Messung

✓ Servonachregelung

✓ SPS‑Automatisierung

✓ Aufwickelsystem

Ziel ist eine komplette Produktionslösung abgestimmt auf Kundenvorgaben:

• Eingangsdraht
• Werkstoffgüte
• Endbreite
• Enddicke
• Maßtoleranz
• Oberflächenanforderungen
• Produktionsgeschwindigkeit

Statt eine Standardanlagenkonfiguration für alle Einsatzzwecke einzusetzen, entwickelt CRM den Walzprozess ausgehend vom gewünschten Fertigprodukt.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1. Was ist das Mehrpass‑Flachdrahtwalzen? Das Mehrpass‑Flachdrahtwalzen ist ein Verfahren, bei dem die gesamte zur Umformung des Eingangsdrahts zu Flachdraht erforderliche Verformung auf mehrere gesteuerte Walzdurchgänge verteilt wird.
2. Warum wird Flachdraht nicht in einem einzigen Walzdurchgang hergestellt? Eine starke Einzelreduktion erzeugt übermäßige Walzkräfte, instabilen Materialfluss, hohe Kaltverfestigung und erhöht das Risiko von Randrissen oder Drahtbruch.
3. Wie wird die Reduktion pro Durchgang festgelegt? Die Reduktion pro Durchgang hängt von Werkstoffgüte, Eingangsabmessung, Endabmessungen, Walzanlage, geforderter Toleranz und dem Verformungsverhalten des Werkstoffs ab.
4. Ergibt eine höhere Anzahl an Walzdurchgängen automatisch besseren Flachdraht? Nein. Zu wenige Durchgänge führen zu übermäßiger Verformung, zu viele senken die Produktivität und erzeugen unnötige Kaltverfestigung. Die optimale Durchgangszahl muss Qualität und Effizienz abwägen.
5. Wie beeinflusst der Passplan die Breite des Flachdrahts? Bei abnehmender Dicke fließt das Material seitlich und vergrößert seine Breite. Daher müssen bei der Passauslegung Dickenreduktion und Breitenentwicklung gemeinsam gesteuert werden.
6. Wie wirkt sich das Mehrpass‑Walzen auf Federstahl aus? Gesteuertes Mehrpass‑Walzen verteilt die Kaltverformung und hilft bei der Steuerung von Kaltverfestigung, Materialfluss und Maßstabilität. Der genaue Prozess hängt von der Federstahlgüte ab.
7. Wie greifen Zugspannungssteuerung und Passplan ineinander? Eine stabile Zugspannung sorgt für einen vorhersehbaren Materialfluss durch die Walzdurchgänge. Instabile Zugspannung kann Maßabweichungen, Drahtbruch und ungleichmäßige Verformung verursachen.
8. Kann eine Online‑Messung in eine Mehrpass‑Walzanlage integriert werden? Ja. Die laserbasierte Online‑Messung überwacht Dicke und Breite während der Produktion und liefert Daten für die Prozessanpassung und geschlossene Regelkreise.

Schlussfolgerung

Das Mehrpass‑Flachdrahtwalzen ist ein Verfahren der kontrollierten Verformung zur Umformung von Rund‑ oder anderem Eingangsdraht zu einem präzisen Flachprofil.

Der Prozesserfolg hängt von der korrekten Abwägung folgender Faktoren ab:

• Gesamtreduktion
• Reduktion pro Durchgang
• Reihenfolge der Durchgänge
• Werkstoffverhalten
• Walzengeometrie
• Zugspannungssteuerung
• Online‑Messung

Bei hochfestem Federstahl und weiteren Präzisionswerkstoffen verbessert die Verteilung der Verformung auf geeignete Walzdurchgänge den Materialfluss, die Maßstabilität und die Prozesszuverlässigkeit.

Ziel ist nicht, den Draht so schnell wie möglich herunterzuwalzen.

Ziel ist die Steuerung der Verformung in jeder Stufe bis zum Erreichen der geforderten Endgeometrie.

Sky Bluer Environmental Technology Co., Ltd. (CRM) liefert kundenspezifische Präzisionswalzwerke und komplette Lösungen für die Flachdrahtproduktion, kombiniert mit Verfahrenstechnik, Präzisionswerkzeugen, Zugspannungssteuerung, Online‑Messung und Automatisierung.

Vom Runddraht zum Präzisions‑Flachdraht — jeder Durchgang zählt.