Warum CNC-gefräste Stahlteile verziehen und wie man dies verhindern kann

Verzug ist einer der frustrierendsten Fehler bei CNC-gefrästen Stahlteilen . Bauteile, die auf der Maschine perfekt gemessen werden, verbiegen sich plötzlich nach dem Lösen der Spannung, der Wärmebehandlung oder sogar während der Endkontrolle. Das Ergebnis: Ausschuss, Nacharbeit, Lieferverzögerungen und Kundenbeschwerden.

Auf der Grundlage realer Praxisversuche auf der Fertigungsfläche, von Projekten zur Neugestaltung von Spannvorrichtungen sowie von Daten zu thermischen Spannungen aus Produktionsumgebungen erklärt dieser Artikel warum Stahlteile während der CNC-Bearbeitung verziehen – und wie dies genau mittels bewährter ingenieurtechnischer Methoden verhindert werden kann mit bewährten ingenieurtechnischen Methoden.

Was ist Verzug bei der CNC-Bearbeitung von Stahlteilen?

Verzug bezeichnet unbeabsichtigte dimensionsbezogene Verformung verursacht durch Eigenspannungen, Temperaturgradienten oder ungleichmäßiges Materialabtragen.

Typische Symptome sind:

• Verformung von Flachplatten nach der Fertigbearbeitung

• Verbiegung langer Wellen nach der Vorbearbeitung

• Verdrehung dünner Wände während des Lösevorgangs

• Verlust der Rundlaufgenauigkeit von Bohrungen nach der Wärmebehandlung

In einer sechsmonatigen Studie bei einem Lieferanten für Hydraulikgeräte zur Bearbeitung von Ventilgehäusen aus AISI 1045:

• Der Ausschuss aufgrund von Verformungen ging zurück 28%

• Die Nacharbeitzeiten sanken 34%

• Die Ebenheitsabweichung verbesserte sich von 0,19 mm → 0,06 mm

—nach den unten beschriebenen Prozessänderungen.

Warum sich CNC-gefräste Stahlteile verziehen: Die Hauptursachen

1. Restspannungen im Ausgangsmaterial

Warmgewalzte oder geschmiedete Stahlstäbe enthalten oft einschlussspannungen aus der Umformung und Abkühlung.

Wenn bei der Bearbeitung Material ungleichmäßig entfernt wird, verteilen sich die Spannungen neu – wodurch das Bauteil verbiegt.

Beobachteter Fall:
Die Bearbeitung von geschmiedeten 4140-Platten ohne Spannungsarmglühen führte nach der Fertigbearbeitung zu einer durchbiegung von 0,32 mm über eine Länge von 400 mm.

2. Wärmeentwicklung während des Schneidens

Stahl dehnt sich bei Erwärmung aus. Aggressive Zerspanungsstrategien oder eine unzureichende Kühlmittelzufuhr erzeugen thermische Gradienten, insbesondere bei:

• Tiefe Taschen

• Dünnen Stegen

• Langen Fertigbearbeitungsläufen

Eine Wärmebildaufnahme während eines Probelaufs zeigte eine temperaturdifferenz von 42 °C über einen dünnen Flansch – ausreichend, um messbare Verformungen hervorzurufen.

3. Ungleichmäßige Materialabtragung

Wenn zunächst der größte Teil des Werkstoffes von einer Seite abgetragen wird, wird die innere Spannung asymmetrisch freigesetzt.

Dies tritt häufig bei:

• Gehäuseteilen

• Strukturhalterungen

• Große Platten

4. Durch die Vorrichtung verursachte Verzerrung

Übermäßiges Spannen dünner Stahlkomponenten kann zu elastischer Verformung führen. Nach dem Lösen kehren sie in verkrümmte Formen zurück.

Kraftsensortests an Vakuumvorrichtungen zeigten, dass eine Reduzierung der Spannkraft um 35 % den Flachheitsfehler nach der Bearbeitung halbiert.

5. Wärmebehandlung nach der Bearbeitung

Abschrecken und Anlassen erzeugen neue Spannungen, wenn die Teile nicht ordnungsgemäß gestützt werden oder wenn der zur Nachbearbeitung nach der Wärmebehandlung verfügbare Bearbeitungszug nicht ausreichend ist.

So verhindern Sie Verzug bei CNC-gefrästen Stahlteilen

Entspannen Sie das Material zunächst

Für kritische Komponenten:

• Spannungsarmglühen von Kohlenstoff- und legierten Stählen bei 550–650 °C

• 1 Stunde pro 25 mm Dicke halten

• Gesteuerte Ofenkühlung

Produktionsergebnis:
Spannungsarm geglättete 4140-Platten zeigten 62 % weniger Verzug während der Feinbearbeitung.

Ausgewogene Grobbearbeitungsstrategien anwenden

Statt eine Seite vollständig zu fertigen:

• Material symmetrisch entfernen

• Seiten abwechselnd bearbeiten

• Gleichmäßigen Reststahl (0,5–1,0 mm) für die Endbearbeitung belassen

CAM-Vorlagen, die diesen Ansatz umsetzen, verringerten Flachheitsfehler um 45%bei strukturellen Bauteilen.

Zerspanungsparameter optimieren, um Wärmeentwicklung zu reduzieren

Geringere Wärmezufuhr ohne Einbußen bei der Produktivität:

• Hochleistungsfräsen (10–20 % Überschneidung, tiefe axiale Schnitte)

• Scharfe Einsätze mit polierten Schneiden

• AlTiN-Beschichtungen für thermische Stabilität

• Hochdruckkühlschmierstoff (50–80 bar)

Die gemessene Spindelleistungsabnahme betrug 14 %, und die Oberflächentemperatur sank nach der Optimierung um 18 °C.