Schmiedegeheimnisse:Eine Einführung in Schmiedemethoden

Wie verarbeiten moderne Schmiedeanlagen Metall zu Schmiedeteilen?

Was ist Schmieden?

Schmieden ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein Metall durch Hämmern, Pressen oder Walzen geformt wird. Diese Druckkräfte werden mit einem Hammer oder einer Matrize geliefert. Schmieden wird oft nach der Temperatur kategorisiert, bei der es durchgeführt wird – Kalt-, Warm- oder Heißschmieden.

Eine Vielzahl von Metallen kann geschmiedet werden. Typische Metalle, die beim Schmieden verwendet werden, umfassen Kohlenstoffstahl, legierten Stahl und Edelstahl. Auch sehr weiche Metalle wie Aluminium, Messing und Kupfer können geschmiedet werden. Der Schmiedeprozess kann Teile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften mit minimalem Abfall produzieren. Das Grundkonzept besteht darin, dass das ursprüngliche Metall plastisch in die gewünschte geometrische Form verformt wird, was ihm eine höhere Ermüdungsbeständigkeit und Festigkeit verleiht. Das Verfahren ist wirtschaftlich sinnvoll und ermöglicht die Massenproduktion von Teilen und das Erreichen spezifischer mechanischer Eigenschaften im Endprodukt.

Geschichte des Schmiedens

Schmieden wird seit Jahrtausenden von Schmieden praktiziert. Zunächst waren Bronze und Kupfer in der Bronzezeit die am häufigsten geschmiedeten Metalle. Später, als die Fähigkeit zur Temperaturkontrolle und der Prozess des Schmelzens von Eisen entdeckt wurden, wurde Eisen zum wichtigsten Schmiedemetall. Zu den traditionellen Produkten gehören Küchengeschirr, Eisenwaren, Handwerkzeuge und Blankwaffen. Die industrielle Revolution ermöglichte es dem Schmieden, sich zu einem effizienteren Massenproduktionsprozess zu entwickeln. Seitdem hat sich das Schmieden zusammen mit Fortschritten in Ausrüstung, Robotik, elektronischen Steuerungen und Automatisierung weiterentwickelt. Schmieden ist heute eine weltweite Industrie mit modernen Schmiedeanlagen, die hochwertige Metallteile in einer Vielzahl von Größen, Formen, Materialien und Oberflächen herstellen.

Schmiedemethoden

Es gibt mehrere Schmiedeverfahren mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Vorteilen. Zu den häufiger verwendeten Schmiedeverfahren gehören das Gesenkschmieden sowie das Rollschmieden.

Gesenkschmieden

Gesenkschmieden hat seinen Namen von dem Vorgang, bei dem ein Hammer auf das Metall fallen gelassen wird, um es in die Form des Gesenks zu formen. Die Matrize bezieht sich auf die Oberflächen, die mit dem Metall in Kontakt kommen. Es gibt zwei Arten des Gesenkschmiedens – Freiformschmieden und Gesenkschmieden. Matrizen sind in der Regel flach, wobei einige speziell geformte Oberflächen für spezielle Operationen haben.

Freiformschmieden (Schmiedschmieden)

Freiformschmieden wird auch Schmiedeschmieden genannt. Ein Hammer schlägt auf ein Metall auf einem stationären Amboss und verformt es. Bei dieser Art des Schmiedens ist das Metall nie vollständig in den Gesenken eingeschlossen, sodass es fließen kann, mit Ausnahme der Bereiche, in denen es mit den Gesenken in Kontakt kommt. Es liegt in der Verantwortung des Bedieners, das Metall auszurichten und zu positionieren, um die gewünschte endgültige Form zu erreichen. Es werden Flachmatrizen verwendet, von denen einige speziell geformte Oberflächen für spezialisierte Operationen haben. Das Freiformschmieden eignet sich für einfache und große Teile sowie kundenspezifische Metallkomponenten.

Vorteile des Freiformschmiedens:

• Bessere Ermüdungsbeständigkeit und Festigkeit
• Reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlern und/oder Löchern
• Verbessert die Mikrostruktur
• Kontinuierlicher Kornfluss
• Feinere Körnung

Gesenkschmieden (Gesenkschmieden)

Gesenkschmieden wird auch als Gesenkschmieden bezeichnet. Das Metall wird in eine Matrize gelegt und an einem Amboss befestigt. Der Hammer wird auf das Metall fallen gelassen, wodurch es fließt und die Formhohlräume füllt. Der Hammer ist so eingestellt, dass er in schneller Folge im Millisekundenbereich mit dem Metall in Kontakt kommt. Überschüssiges Metall wird aus den Formhohlräumen herausgedrückt, was zu Graten führt. Der Grat kühlt schneller ab als der Rest des Materials und macht ihn stärker als das Metall in der Matrize. Nach dem Schmieden wird der Grat entfernt.

Damit das Metall die Endphase erreicht, wird es durch eine Reihe von Hohlräumen in einer Matrize bewegt:

1. Kanteneindruck (auch Walken oder Biegen genannt)
   Der erste Eindruck, der verwendet wird, um das Metall in eine grobe Form zu bringen.

2. Hohlräume blockieren
   Das Metall wird in eine Form gebracht, die dem Endprodukt besser ähnelt. Das Metall ist mit großzügigen Biegungen und Verrundungen geformt.

3. Endgültige Abformkavität
   Endstufe der Veredelung und Detaillierung des Metalls in die gewünschte Form.

Vorteile des Gesenkschmiedens:

• Produziert Teile bis zu 25 Tonnen
• Erzeugt endkonturnahe Formen, die nur wenig Nachbearbeitung erfordern
• Wirtschaftlich für schwere Produktion

Walzenschmieden

Walzenschmieden besteht aus zwei zylindrischen oder halbzylindrischen horizontalen Walzen, die ein rundes oder flaches Stangenmaterial verformen. Dies reduziert seine Dicke und erhöht seine Länge. Dieser erwärmte Stab wird zwischen die beiden Walzen eingeführt und hindurchgeführt – wobei jede eine oder mehrere geformte Nuten enthält – und wird beim Durchlaufen der Maschine zunehmend geformt. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die gewünschte Form und Größe erreicht ist.

Vorteile des automatischen Rollschmiedens:

• Erzeugt wenig bis gar keinen Materialabfall
• Erzeugt eine günstige Kornstruktur im Metall
• Reduziert die Querschnittsfläche des Metalls
• Erzeugt konische Enden

Pressschmieden

Das Pressschmieden verwendet einen langsamen, kontinuierlichen Druck oder eine Kraft anstelle des Schlags, der beim Fallhammerschmieden verwendet wird. Durch den langsameren Stößelweg greift die Verformung tiefer ein, so dass das gesamte Volumen des Metalls gleichmäßig betroffen ist. Im Gegensatz dazu findet beim Fallhammerschmieden die Verformung oft nur an der Oberfläche statt, während das Innere des Metalls etwas unverformt bleibt. Durch Steuerung der Kompressionsrate beim Pressschmieden kann auch die innere Spannung gesteuert werden.

Vorteile des Pressschmiedens:

• Wirtschaftlich für schwere Produktion
• Größere Genauigkeit bei Toleranzen innerhalb von 0,01–0,02 Zoll
• Matrizen haben weniger Formschräge, was eine bessere Maßhaltigkeit ermöglicht
• Geschwindigkeit, Druck und Weg der Matrize werden automatisch gesteuert
• Prozessautomatisierung ist möglich
• Die Kapazität der Pressen reicht von 500 bis 9000 Tonnen

Verärgertes Schmieden

Stauchschmieden ist ein Herstellungsverfahren, bei dem der Durchmesser des Metalls durch Zusammendrücken seiner Länge vergrößert wird. Kurbelpressen, eine spezielle Hochgeschwindigkeitsmaschine, werden beim Stauchschmieden eingesetzt. Kurbelpressen werden typischerweise auf einer horizontalen Ebene angeordnet, um die Effizienz und den schnellen Austausch von Metall von einer Station zur nächsten zu verbessern. Vertikale Kurbelpressen oder eine hydraulische Presse sind ebenfalls Optionen.

Vorteile des Stauchschmiedens:

• Hohe Produktionsrate von bis zu 4500 Teilen pro Stunde
• Vollständige Automatisierung ist möglich
• Eliminierung von Schmiedezug und Grat
• Erzeugt wenig bis gar keinen Abfall

Automatisches Heißschmieden

Beim automatischen Warmschmieden werden werkslange Stahlstangen bei Raumtemperatur in ein Ende der Schmiedemaschine eingeführt, und am anderen Ende treten warmgeschmiedete Produkte aus. Die Stange wird mit Hochleistungsinduktionsspulen in weniger als 60 Sekunden auf eine Temperatur im Bereich von 2190–2370 °F erhitzt. Der Stab wird mit Walzen entzundert und in Rohlinge geteilt. An dieser Stelle durchläuft das Metall mehrere Umformstufen, die mit Hochgeschwindigkeits-Kaltumformvorgängen gekoppelt werden können. Üblicherweise wird die Kaltumformung der Endbearbeitung überlassen. Dadurch können die Vorteile der Kaltumformung genutzt werden, während gleichzeitig die hohe Geschwindigkeit des automatischen Warmschmiedens beibehalten wird.

Vorteile des automatischen Warmschmiedens:

• Hohe Ausgaberate
• Akzeptanz von kostengünstigen Materialien
• Minimaler Arbeitsaufwand für den Betrieb von Maschinen
• Erzeugt wenig bis gar keinen Materialabfall (Materialeinsparungen zwischen 20–30 % gegenüber herkömmlichem Schmieden)

Präzisionsschmieden (Net-Shape- oder Near-Net-Shape-Schmieden)

Das Präzisionsschmieden erfordert wenig bis gar keine Endbearbeitung. Es handelt sich um ein Schmiedeverfahren, das entwickelt wurde, um die Kosten und den Abfall im Zusammenhang mit Nachschmiedevorgängen zu minimieren. Kosteneinsparungen werden durch die Reduzierung von Material und Energie sowie durch die Reduzierung der maschinellen Bearbeitung erzielt.

Isothermisches Schmieden

Isothermes Schmieden ist ein Schmiedeprozess, bei dem Metall und Gesenk auf die gleiche Temperatur erhitzt werden. Es wird adiabatische Erwärmung verwendet – es gibt keine Nettoübertragung von Masse oder Wärmeaustausch zwischen dem System und der äußeren Umgebung. Die Änderungen sind alle auf interne Änderungen zurückzuführen, die zu stark kontrollierten Dehnungsraten führen. Aufgrund des geringeren Wärmeverlustes können für diesen Schmiedeprozess kleinere Maschinen eingesetzt werden.