populärwissenschaftliche Wissenschaft schmieden
Schmieden Schmieden bezeichnet die Anwendung von Schmiedemaschinen, um durch Druck auf einen Metallblock plastische Verformung zu erzielen und so bestimmte mechanische Eigenschaften sowie eine spezifische Form und Größe des Schmiedeteils zu erreichen. Es ist neben dem Stanzen eines der beiden Hauptverfahren des Schmiedens. Durch das Schmieden lassen sich Schmelzfehler vermeiden und das Mikrogefüge optimieren. Da die vollständige Metallstruktur erhalten bleibt, sind die mechanischen Eigenschaften des Schmiedeteils in der Regel besser als die des Gussteils aus demselben Material. In entsprechenden Maschinen werden für wichtige Bauteile mit hoher Belastung und anspruchsvollen Betriebsbedingungen – abgesehen von relativ einfachen Formen, die aus Walzblech, Profilen oder Schweißteilen gefertigt werden können – überwiegend Schmiedeteile verwendet.
- Verformungstemperatur
Die Rekristallisationstemperatur von Stahl beginnt bei etwa 727 °C, wobei 800 °C üblicherweise als Trennlinie dient. Temperaturen über 800 °C werden als Warmumformung bezeichnet, Temperaturen zwischen 300 und 800 °C als Halbwarmumformung und das Schmieden bei Raumtemperatur als Kaltumformung. In den meisten Industriezweigen werden warmumgeformte Schmiedeteile verwendet, während Warm- und Kaltumformung hauptsächlich für die Herstellung von Automobil-, Maschinenbau- und anderen Bauteilen zum Einsatz kommen. Durch Warm- und Kaltumformung lassen sich Materialien effektiv einsparen.
- Schmiedekategorie
Wie bereits erwähnt, lässt sich das Schmieden anhand der Schmiedetemperatur in Warm-, Halbwarm- und Kaltschmieden unterteilen. Nach dem Umformmechanismus kann man zwischen Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Ringschleifen und Sonderschmieden unterscheiden.
1) Freiformschmieden
Das Freiformschmieden bezeichnet ein Verfahren, bei dem mit einfachen Universalwerkzeugen oder durch direkte Krafteinwirkung zwischen Ober- und Unteramboss einer Schmiedemaschine ein Rohling verformt wird, um die gewünschte Geometrie und innere Qualität des Schmiedeteils zu erzielen. Freiformschmiedeteile werden als solche bezeichnet. Das Freiformschmieden basiert hauptsächlich auf der Fertigung von Kleinserien. Dabei werden Schmiedehämmer, Hydraulikpressen und andere Schmiedemaschinen eingesetzt, um den Rohling zu formen und zu bearbeiten und so die gewünschten Schmiedeteile zu erhalten. Die grundlegenden Prozesse des Freiformschmiedens umfassen Stauchen, Längen, Stanzen, Schneiden, Biegen, Verdrehen, Verschieben und Schmieden. Freiformschmieden wird ausschließlich im Warmschmiedeverfahren angewendet.
2) Formschmieden
Das Gesenkschmieden wird in Freiform- und Gesenkschmieden unterteilt. Der Metallblock wird in der Schmiedekammer unter Druck gesetzt und verformt, um die Schmiedeteile zu erhalten. Gesenkschmieden wird im Allgemeinen für die Fertigung von Teilen mit geringem Gewicht und in großen Stückzahlen eingesetzt. Man unterscheidet zwischen Warm-, Kalt- und Heißschmieden. Warm- und Kaltschmieden stellen die zukünftige Entwicklungsrichtung des Gesenkschmiedens dar und repräsentieren gleichzeitig den Stand der Schmiedetechnologie.
Nach den Materialkriterien lässt sich das Gesenkschmieden in Schwarzmetall-Gesenkschmieden, Nichteisenmetall-Gesenkschmieden und Pulverformung unterteilen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei den Werkstoffen um Eisenmetalle wie beispielsweise … Carbonstahll, Nichteisenmetalle wie Kupfer und Aluminium sowie pulvermetallurgische Werkstoffe.
Die Strangpressung ist dem Gesenkschmieden zuzuordnen und kann in Schwermetallstrangpressung und Leichtmetallstrangpressung unterteilt werden.
Gesenkschmieden und Stauchschmieden zählen zu den fortschrittlichen Gesenkschmiedeverfahren. Da keine fliegende Kante entsteht, ist die Materialausnutzung hoch. Die Endbearbeitung komplexer Schmiedeteile kann in einem oder mehreren Arbeitsgängen erfolgen. Durch das Fehlen einer fliegenden Kante verringert sich die Spannungsfläche des Schmiedeteils, wodurch sich auch die erforderliche Kraft reduziert. Allerdings sollte der Rohling nicht zu stark eingeschränkt werden. Daher müssen das Rohlingsvolumen, die relative Position des Schmiedegesenks und die Abmessungen des Schmiedeteils genau kontrolliert und der Verschleiß des Schmiedegesenks minimiert werden.
3) Erreiche den Ring
Ringfräsen bezeichnet die Herstellung von Ringteilen mit unterschiedlichen Durchmessern mithilfe spezieller Ringfräsmaschinen, die auch zur Herstellung von Radteilen wie Autorädern und Eisenbahnrädern verwendet werden.
4) Spezialschmieden
Zu den Spezialschmiedeverfahren zählen Walzschmieden, Keilquerwalzen, Radialschmieden, Gesenkschmieden und weitere Verfahren. Diese Verfahren eignen sich besonders für die Herstellung von Bauteilen mit speziellen Formen. So kann beispielsweise Walzschmieden als effektives Vorformverfahren eingesetzt werden, um den nachfolgenden Umformdruck deutlich zu reduzieren; mit Keilquerwalzen lassen sich Stahlkugeln und Antriebswellen herstellen, und mit Radialschmieden können große Schmiedeteile wie Geschützrohre und Stufenwellen gefertigt werden.
5) Schmiedeform
Je nach Bewegungsart des Schmiedewerkzeugs lassen sich Schmiedeverfahren in Schwingwalzen, Schwingrotationsschmieden, Walzen, Keilquerwalzen, Walzringwalzen und Schrägwalzen unterteilen. Walzen, Schwingrotationsschmieden und Walzringwalzen können auch durch Feinschmieden bearbeitet werden. Um die Materialausnutzung zu verbessern, können Walzen und Querwalzen als erste Bearbeitungsschritte für schlanke Werkstoffe eingesetzt werden. Rotationsschmieden bietet, ähnlich wie Freiformschmieden, den Vorteil, dass im Vergleich zu anderen Schmiedeteilen geringe Schmiedekräfte erforderlich sind. Da beim Freiformschmieden die Werkstoffe von der Werkzeugoberfläche zur freien Oberfläche transportiert werden, ist es schwierig, die Genauigkeit zu gewährleisten. Durch die computergesteuerte Steuerung der Schmiedewerkzeugbewegung und des Rotationsschmiedeprozesses können komplexe Formen und hochpräzise Produkte, wie beispielsweise große Dampfturbinenschaufeln, mit geringen Schmiedekräften gefertigt werden.
Die Formbewegung der Schmiedeanlage ist nicht mit dem Freiheitsgrad konsistent. Entsprechend den Verformungsbegrenzungseigenschaften des Totpunkts kann die Schmiedeanlage in die folgenden vier Formen unterteilt werden:
Begrenzung der Schmiedekraftform: Der Öldruck treibt direkt die Schieberölpresse an.
Quasi-Hubbegrenzungsmodus: Die Ölpresse treibt die Ölpresse des Kurbelgestängemechanismus an.
Hubbegrenzung: Mechanische Presse treibt den Schieber über Kurbel, Pleuelstange und Keilmechanismus an.
Energiebegrenzungsmodus: Verwendung des Schraubenmechanismus der Spirale und der Reibungspresse.
Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist darauf zu achten, eine Überlastung im unteren Totpunkt zu vermeiden und die Drehzahl sowie die Werkzeugposition zu kontrollieren. Diese Faktoren beeinflussen die Schmiedetoleranz, die Formgenauigkeit und die Standzeit des Schmiedewerkzeugs. Um die Genauigkeit zu gewährleisten, sollten außerdem das Spiel der Führungsschiene des Schiebers eingestellt, die Steifigkeit sichergestellt, der Totpunkt justiert und gegebenenfalls Hilfsantriebe eingesetzt werden.
Es gibt auch vertikale und horizontale Schlittenbewegungen (für das Schmieden schlanker Teile, die Schmierkühlung und die Hochgeschwindigkeitsfertigung von Schmiedeteilen). Mithilfe einer Kompensationsvorrichtung kann die Bewegung in andere Richtungen verstärkt werden. Die oben genannten Methoden unterscheiden sich hinsichtlich der erforderlichen Schmiedekraft, des Prozesses, der Materialausnutzung, der Ausbeute, der Maßtoleranzen und der Schmierkühlungsmethoden. Diese Faktoren beeinflussen auch den Automatisierungsgrad.
- Schmiedematerialien
Schmiedewerkstoffe sind hauptsächlich Kohlenstoffstahl und legierter Stahl verschiedener Zusammensetzungen, gefolgt von Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan und deren Legierungen. Der Ausgangszustand des Materials ist Stangenmaterial, Block, Metallpulver oder flüssiges Metall. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Metalls vor der Umformung zur Querschnittsfläche nach der Umformung wird als Schmiedeverhältnis bezeichnet. Die korrekte Wahl des Schmiedeverhältnisses, einer angemessenen Erwärmungstemperatur und -dauer, einer angemessenen Schmiedebeginn- und -endtemperatur sowie einer angemessenen Umformung und Umformgeschwindigkeit tragen wesentlich zur Verbesserung der Produktqualität und zur Kostensenkung bei.
Im Allgemeinen werden kleine und mittelgroße Schmiedestücke aus Rund- oder Vierkantstangen gefertigt. Das Stangenmaterial zeichnet sich durch eine gleichmäßige Kornstruktur und gute mechanische Eigenschaften aus, was eine präzise Formgebung und Abmessung sowie eine hohe Oberflächenqualität ermöglicht und die Massenproduktion erleichtert. Bei angemessener Steuerung der Heiztemperatur und der Umformbedingungen lassen sich Schmiedestücke mit hervorragenden Eigenschaften ohne große Umformung herstellen.
Ein Gussblock wird nur für große Schmiedestücke verwendet. Der Gussblock besteht aus einem gegossenen Gefüge mit größeren, säulenförmigen Kristallen und einem lockeren Kern. Daher ist es notwendig, die zylindrischen Kristalle in feine Körner zu zerkleinern und eine lockere Verdichtung vorzunehmen, um eine feine Metallstruktur und gute mechanische Eigenschaften zu erzielen.
Der aus pulvermetallurgischen Materialien hergestellte und gebrannte Rohling kann im warmen Zustand ohne Gesenk geschmiedet werden. Das Schmiedepulver weist eine ähnliche Dichte wie herkömmliches Gesenkschmieden auf und zeichnet sich durch gute mechanische Eigenschaften und hohe Genauigkeit aus, wodurch die Nachbearbeitung reduziert werden kann. Pulvergeschmiedete Teile sind gut ausgebildet, weisen keine Entmischungen auf und eignen sich zur Herstellung von Werkstücken wie kleinen Zahnrädern. Der Preis für Pulver ist jedoch deutlich höher als der Preis für herkömmliche Stangenmaterialien, was die Anwendung in der Produktion etwas einschränkt.
Durch den statischen Druck, der auf das in die Formkammer gegossene flüssige Metall ausgeübt wird, erstarrt dieses, kristallisiert, fließt, verformt sich plastisch und formt sich unter Druck. Dadurch werden die gewünschte Form und die gewünschten Eigenschaften erzielt. Das Flüssigmetall-Gesenkschmieden ist ein Umformverfahren, das zwischen Druckgießen und Gesenkschmieden liegt. Es eignet sich besonders für komplexe, dünnwandige Bauteile, die sich mit herkömmlichen Gesenkschmiedeverfahren nur schwer herstellen lassen.
Neben den üblichen Werkstoffen wie verschiedenen Komponenten von Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl werden auch Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan und dessen Legierungen, eisenbasierte Hochtemperaturlegierungen, nickelbasierte Hochtemperaturlegierungen und kobaltbasierte Hochtemperaturlegierungen durch Schmieden oder Walzen umgeformt. Da diese Legierungen jedoch einen relativ kleinen plastischen Bereich aufweisen, ist die Schmiedetechnik vergleichsweise schwierig. Unterschiedliche Werkstoffe unterliegen strengen Anforderungen an die Erwärmungstemperatur, die Schmiedetemperatur und die Endschmiedetemperatur.
- Prozessablauf
Verschiedene Schmiedeverfahren erfordern unterschiedliche Prozesse. Das Warmschmieden ist der längste technologische Prozess und verläuft im Allgemeinen wie folgt: Zuführung des Schmiederohlings; Erwärmen des Schmiedestücks; Vorbereitung des Walzenschmiedens; Gesenkschmieden; Schneiden der Schneide; Stanzen; Nachbearbeitung; Zwischenprüfung auf Maßhaltigkeit und Oberflächenfehler; Wärmebehandlung zur Beseitigung von Schmiedespannungen und Verbesserung der Zerspanbarkeit; Reinigung, hauptsächlich zur Entfernung der Oberflächenoxidation; Nachbearbeitung; Endprüfung. Übliche Schmiedestücke werden einer Sicht- und Härteprüfung unterzogen, wichtige Schmiedestücke zusätzlich einer chemischen Analyse, einer Prüfung der mechanischen Eigenschaften, einer Eigenspannungsanalyse und einer zerstörungsfreien Prüfung.
- Eigenschaften von Schmiedeteilen
Im Vergleich zu Gussteilen kann Metall durch Wärmebehandlung seine Struktur und mechanischen Eigenschaften verbessern. Die Verformung des Gussgewebes nach dem Schmiedeverfahren, bedingt durch die Verformung des Metalls und die Rekristallisation, führt dazu, dass die ursprünglich dicken Dendriten und Säulenkörner zu einem feinen, gleichmäßigen Korngefüge mit axialer Rekristallisationsorganisation werden. Dadurch werden die ursprünglichen Entmischungen, Lockerheiten, Poren und Schlackeneinschlüsse verdichtet und verschweißt, die Kornstruktur verdichtet sich und die Plastizität und die mechanischen Eigenschaften des Metalls werden verbessert.
Die mechanischen Eigenschaften von Gussteilen sind geringer als die von Schmiedeteilen aus demselben Material. Darüber hinaus gewährleistet das Schmiedeverfahren die Kontinuität der Metallfaserstruktur. Dadurch sind die Faserstruktur und die Form des Schmiedeteils sowie die Metallströmung vollständig ausgebildet, was gute mechanische Eigenschaften und eine lange Lebensdauer der Teile sicherstellt. Schmiedeteile, die durch Präzisionsgesenkschmieden, Kaltfließpressen, Warmfließpressen und andere Verfahren hergestellt werden, sind mit Gussteilen nicht vergleichbar.
Schmieden ist ein Werkstück, bei dem ein Metall unter Druck gesetzt wird, um die gewünschte Form zu erhalten oder eine geeignete Kompressionskraft zu erzeugen. Diese Kraft wird üblicherweise durch einen Hammer oder Pressdruck erzeugt. Der Schmiedeprozess führt zu einer feinen Partikelstruktur und verbessert die physikalischen Eigenschaften des Metalls. Bei der praktischen Anwendung der Teile sorgt eine geeignete Konstruktion dafür, dass sich die Partikel in Richtung des Hauptdrucks ausrichten. Guss ist ein Metallformverfahren, bei dem ein Werkstück durch verschiedene Gießverfahren hergestellt wird. Dazu gehören das Schmelzen des flüssigen Metalls, das Gießen, Pressen, Sauggießen oder andere Gießverfahren in die vorbereitete Form, das Abkühlen nach dem Schleifen, Reinigen und der Nachbehandlung. Das Ergebnis ist ein Werkstück mit einer bestimmten Form, Größe und den gewünschten Eigenschaften.