Schmieden – Prozess, Klassifizierung & Methoden

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Schmieden ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Metalle durch Hämmern, Pressen oder Walzen geformt werden. Seine Ursprünge lassen sich bis nach Mesopotamien zurückverfolgen, wo es bereits 4000 v. Chr. eingesetzt wurde. Das Verfahren entwickelte sich aus dem einfachen Hämmern, als die frühen Menschen entdeckten, dass sich Metall durch Erhitzen leichter formen lässt. Schmiede benutzten Öfen, um Metalle zu erhitzen und so Waffen und Werkzeuge wie Schwerter und landwirtschaftliche Geräte herzustellen.

Im Laufe der Jahrhunderte hat sich das Schmieden erheblich weiterentwickelt, um den Anforderungen der modernen Industrie gerecht zu werden. Fangen wir damit an.

Was ist Schmieden?

Schmieden ist ein Herstellungsprozess, bei dem Hitze und hohen Druck um Metall in die gewünschte Form zu bringen. Wenn es auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wird das Rohmetall verformbar. Die Hersteller können manuelle Kraft, hydraulische Pressen und andere Spezialgeräte einsetzen, um das Metall relativ einfach zu formen.

Die meisten geschmiedeten Produkte werden heute mit elektrisch betriebenen Pressen hergestellt. Bestimmte Spezialprodukte, wie z.B. Messer aus Damaszenerstahl, werden jedoch immer noch mit traditionellen manuellen Methoden hergestellt.

Zu den gängigen Metallen, die beim Schmieden verwendet werden, gehören legierter Stahl, Aluminium, Messing, Kohlenstoffstahl, Kupfer, Duplexstahl, Nickel, Edelstahl, Titan und Werkzeugstahl. Im Allgemeinen können Metalle, die nicht sehr spröde sind, geschmiedet werden. Andererseits sind Materialien wie Gusseisen, bestimmte kohlenstoffreiche Stähle und andere spröde Legierungen für das Schmieden ungeeignet, da sie Schlagbelastungen nicht standhalten können.

Geschmiedete Teile bieten zahlreiche Vorteile, darunter eine verfeinerte Kornstruktur, höhere Ermüdungsbeständigkeit und Festigkeit. Außerdem ist das Endprodukt frei von Fehlern wie Porosität, Rissen und Lunkern.

Das Schmieden kann für die Massenproduktion von Teilen eingesetzt werden, ohne dass überschüssiges Metall verwendet wird. Es wird häufig in sicherheits- und leistungsorientierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie der Öl- und Gasindustrie für kritische Komponenten wie Kurbelwellen, Hochdruckventile, Kugelgelenke, Nocken und Zahnräder eingesetzt.

Schritte des Schmiedeprozesses

Hitze und hoher Druck erweichen die meisten Metalle, so dass das Schmieden für eine Vielzahl von Materialien geeignet ist. Da die Eigenschaften der verschiedenen Metalle jedoch variieren, muss der Schmiedeprozess entsprechend angepasst werden. Schauen wir uns ein typisches Schmiedeverfahren an, um seine wichtigsten Schritte zu verstehen:

Entwurf und Herstellung von Gesenken

Moderne Schmiedeverfahren verwenden Gesenke, um die Genauigkeit, Präzision und Geschwindigkeit der hergestellten Teile zu verbessern. Die Konstruktion und Herstellung von Gesenken ist der erste Schritt im Schmiedeprozess. Ein gutes Gesenk kann Vorteile bieten, wie z.B. einen besseren Kornfluss, eine gute Oberflächenbeschaffenheit, weniger Ausschuss, verbesserte Maßgenauigkeit und gleichbleibende Produktionsqualität.

Knüppel-/Blockvorbereitung

Knüppel oder Blöcke mit unterschiedlichen Querschnitten dienen als Rohmaterial für den Schmiedeprozess. Je nach Produktspezifikation werden die benötigten Längen mit den entsprechenden Querschnitten zugeschnitten und in die Schmiedeproduktionslinie eingebaut.

Erhitzen

Es hat keinen Sinn, auf ein kaltes Metall zu klopfen. In diesem Schritt wird das Metall auf seine Schmiedetemperatur erhitzt, in der Regel in einem Ofen. Die Schmiedetemperatur für Stahl reicht von 850 bis 1150 Grad Celsius, während die ideale Schmiedetemperatur für Aluminium bei bis zu 500 Grad Celsius liegt. Die spezifischen Erhitzungs- und Durchwärmungstemperaturen für den Schmiedeprozess werden auf der Grundlage der Art des verwendeten Metalls festgelegt.

Schmieden

Das erhitzte Metall wird zum Gesenk transportiert, wo es in Form gepresst wird. Um die endgültige Form zu erhalten, sind möglicherweise mehrere Durchgänge durch verschiedene Gesenke erforderlich. Außerdem kann es sein, dass das Teil zwischen den Pressvorgängen wieder erwärmt werden muss.

Wärmebehandlung

Die meisten Komponenten werden nach dem Schmieden einer Wärmebehandlung unterzogen, um bestimmte mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit und Härte, zu verbessern. Die normalerweise verwendeten Wärmebehandlungsverfahren sind Glühen, Anlassen, Abschrecken, Normalisieren, Lösungsglühen und Einsatzhärten.

Abkühlung

Die Abkühlung bietet eine hervorragende Möglichkeit, Eigenschaften wie Festigkeit und Kornstruktur zu verbessern. Durch den Einsatz verschiedener Abkühlungsmechanismen und -geschwindigkeiten kann die Entwicklung der gewünschten Eigenschaften von Schmiedeteilen gefördert werden.

Endbearbeitung

Das Bauteil muss möglicherweise nachbearbeitet werden, z. B. durch maschinelle Bearbeitung, Entgraten und Oberflächenbehandlung, bevor es einsatzfähig ist. Außerdem können Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Ästhetik durch das Auftragen spezieller Beschichtungen in dieser Phase verbessert werden.

Klassifizierung von Schmiedeprozessen

Ständige Forschung und Fortschritte in der Metallurgie haben zur Entwicklung mehrerer Varianten des Schmiedeverfahrens geführt. Heute wird eine breite Palette von Schmiedetechniken eingesetzt, um unterschiedliche Kombinationen von Eigenschaften des Endprodukts zu erzielen. Um die verschiedenen Arten von Schmiedeverfahren besser zu verstehen, werden wir zwei primäre Klassifizierungsmethoden anwenden. Schmiedeverfahren können klassifiziert werden nach –

Klassifizierung nach Temperatur

Es gibt drei Haupttypen von Schmiedeverfahren, die nach der Temperatur kategorisiert werden: Kaltschmieden, Warmschmieden oder Warmschmieden.

Warmschmieden

Das Warmschmieden ist das ursprüngliche Schmiedeverfahren, bei dem das Metall auf eine Temperatur erhitzt wird, die über seiner Rekristallisationstemperatur liegt. Diese Temperatur beträgt in der Regel das 0,3- bis 0,4-fache des Schmelzpunkts von reinen Metallen, während sie bei Legierungen etwa die Hälfte beträgt. Bei dieser erhöhten Temperatur baut die Mikrostruktur des Metalls alle inneren Spannungen ab und bildet neue Körner, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität verbessern.

Sobald das Metall diese Temperatur erreicht hat, wird eine Druckkraft ausgeübt, um es in die gewünschte Form zu bringen. Warmgeschmiedete Produkte erfordern eine geringere Druckkraft, da sich das Material bei höheren Temperaturen leichter verformt.

Das Warmschmieden hat jedoch einige Nachteile. Es bietet geringere Präzision, und die endgültige Oberfläche ist rauher im Vergleich zu anderen Verfahren. Außerdem ist das Werkstück anfällig für Defekte wie Oxidation, Entkohlung und Brandschäden.

Warmumformung

Beim Warmschmieden wird das Metall über die Raumtemperatur hinaus erwärmt, bleibt aber deutlich unter der Rekristallisationstemperatur. Durch die Wärme wird das Metall geschmeidiger. Im Vergleich zum Warmschmieden führt das Warmschmieden zu einem glattere Oberfläche und höhere Präzision, aber es weist auch eine höhere Verformungsbeständigkeit auf. Folglich, größere Druckkräfte sind notwendig, um das Metall beim Warmschmieden zu formen, als beim Warmschmieden.

Kaltes Schmieden

Ein Schmiedeverfahren, das bei Raumtemperatur durchgeführt wird, wird als Kaltschmieden bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Metall nicht erhitzt, sondern durch Druckkräfte direkt in Form gebracht. Diese Technik führt zu hervorragende Oberflächengüte, hochdimensionale Genauigkeitund Teile, die sofort einsatzbereit sind. Außerdem ist das Kaltschmieden eine der am einfachsten zu automatisierenden Verfahren.

Allerdings ist der Prozess erfordert Pressen mit hoher Tonnage, da erhebliche Druckkräfte erforderlich sind. Das Teil ist außerdem anfällig für Risse aufgrund seiner geringen Plastizität bei niedrigen Temperaturen.

Nach verwendeten Werkzeugen und Geräten

Wir können auch Werkzeuge und Ausrüstung verwenden, um Schmiedeprozesse zu klassifizieren. Traditionell benutzten die Schmiede rudimentäre Geräte wie Hämmer und Ambosse, um Metalle zu schmieden. Im Laufe der Zeit trieben Wasserräder große Blasebälge an und ermöglichten Blühereien um höhere Ofentemperaturen zu erreichen.

Mit der industriellen Revolution wurden dann mechanische und hydraulisch betriebene Pressen und Staucher eingeführt, die mit Hilfe von Gesenken komplexere Formen durch Schmieden herstellen konnten. Außerdem wurde in dieser Zeit die Mechanisierung des Walzschmiedens entwickelt, bei der robuste Walzen zum Einsatz kommen, um längliche Komponenten mit unterschiedlichen Querschnitten herzustellen.

Arten von Schmiedemethoden

Der Schmiedeprozess verzweigt sich in verschiedene Methoden, abhängig von Faktoren wie dem Prozesslayout, der Art der hergestellten Teile, dem Automatisierungsgrad und der Art der verwendeten Ausrüstung. In diesem Abschnitt werden wir diese Faktoren integrieren, um einen Überblick über einige der heute am häufigsten verwendeten Schmiedeverfahren zu geben. Zu den Methoden, die wir behandeln werden, gehören die folgenden:

Gesenkschmieden

Das Gesenkschmieden ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Fallhammer aus einer bestimmten Höhe auf ein Werkstück losgelassen wird. Das Werkstück befindet sich auf einem stationären Amboss. Die durch mehrere Schläge erzeugten Kräfte pressen das Werkstück allmählich in die gewünschte Form.

Das Gesenkschmieden kann in zwei Arten unterteilt werden: Freiformschmieden und Gesenkschmieden. Beim Freiformschmieden befindet sich kein Gesenk über dem Werkstück, sondern der Hammer hat direkten Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks. Eine Variante des Freiformschmiedeverfahrens ist bekannt als Freiformschmieden bei dem das Material mit Metallkrallen fixiert wird, während sich die Manipulatoren (Metallformen) aus zwei oder vier Richtungen nähern, um seine Form zu verändern.

Im Gegensatz dazu wird beim Gesenkschmieden das Werkstück im Gesenk eingeschlossen. Geschlossenes Gesenkschmieden ist auch als Gesenkschmieden bekannt. Die gewünschte Endform kann in ein oder beide Gesenke (Ober- und Untergesenk) gegossen werden. Wenn der Hammer auf das obere Gesenk schlägt, wird das zu schmiedende Metall in den Hohlraum des Gesenks gedrückt.

Das Gegenschlagverfahren ist eine Abwandlung der Gesenkschmiedetechnik. Im Gegensatz zum Gesenkschmieden, das sich auf die Schwerkraft stützt, wird beim Gegenschlagverfahren Luft oder Öl unter hohem Druck verwendet, um die Gesenkhöhlen aufeinander zu beschleunigen. Das Metallmaterial, das sich zwischen den Gesenken befindet, absorbiert die starken Aufprallkräfte, die durch die beschleunigenden Gesenke erzeugt werden, so dass es sich der Form der Gesenke anpasst.

Gesenkschmieden

Beim Pressschmieden wird ein ähnliches Prinzip wie beim Gesenkschmieden angewandt. Anstatt sich jedoch auf einen Schlag zu verlassen, wird hier eine kontinuierliche Kraft eingesetzt, die länger anhält. Es handelt sich um ein kontrolliertes Zusammendrücken und nicht um einen plötzlichen Aufprall.

Der Schlag beim Gesenkschmieden verformt nicht den Kern des Metallwerkstücks; die Auswirkungen beschränken sich auf die Oberflächenschicht. Im Gegensatz dazu führt der kontinuierliche Druck, der beim Pressschmieden ausgeübt wird, zu einer plastischen Verformung des gesamten Volumens des Werkstücks. Schmiedepressen können entweder ein Kalt- oder ein Warmschmiedeverfahren anwenden.

Stauchendes Schmieden

Beim Stauchschmieden, auch als Stauchen bezeichnet, wird eine Reihe von Gesenken verwendet, um ein Ende eines Werkstücks zu verformen oder zu stauchen. Dieses Verfahren wird üblicherweise verwendet, um den Querschnitt von Rundstäben an einem Ende zu vergrößern, um Gegenstände wie Nägel, Bolzen und Schrauben zu formen.

Der Rundstab wird mit Hilfe von Greifwerkzeugen fixiert, während ein anderes Werkzeug auf das freiliegende Ende zusteuert, es zusammendrückt und seine Form verändert.

Automatisches Warmschmieden

Die Methode des automatischen Warmschmiedens bietet eine schnelles und effizientes Mittel zur Massenproduktion von Rohlinge oder Fertigprodukte aus Stabstahl. Auf der einen Seite des automatischen Warmschmiedewerks werden Stahlstangen mit bestimmten Längen in die Maschine eingeführt. Diese Stäbe werden induktiv erwärmt, entzundert, geschnitten und in der Schmiedemaschine innerhalb von Sekunden zu fertigen Produkten geschmiedet.

Die Teile können in der Maschine mehrere Umformstufen durchlaufen. Der Ausstoß aus der Schmiedemaschine wird manchmal zum Kalt- oder Präzisionsschmieden geschickt, um seine Vorteile im Endprodukt zu erhalten.

Walzschmieden

Das Walzschmieden ist, ähnlich wie das automatische Schmieden, ein spezielles Schmiedeverfahren, das Teile mit einem einzigartigen Querschnitt herstellen kann in großem Maßstab.

Beim Walzschmieden werden lange Stangen mit flachem oder rundem Querschnitt von zwei gegenüberliegenden Walzen aufgenommen. Wenn die Stange durch den Spalt zwischen den Walzen läuft, wird sie zusammengedrückt, was zu einer Verringerung der Dicke und einer Vergrößerung der Länge des Materials führt.

Sobald das Teil durchgelaufen ist, kann es umgedreht und erneut durch denselben oder einen anderen Satz von Walzen geführt werden, wenn das Endprodukt mehrere Schritte erfordert.

Das Walzschmieden kann warm oder kalt erfolgen. Das Warmschmieden erfordert geringere Druckkräfte. Das Walzschmieden führt zu einer hervorragenden Kornstruktur des Werkstücks.

Gewalztes Ringschmieden

Beim Schmieden von gewalzten Ringen entstehen nahtlose Metallringe aus dem Schmiedeprozess. Der Prozess beginnt damit, dass ein zylindrischer Schaft von der Mitte aus durchbohrt wird, um eine Donut-Form zu erzeugen. In diesem hohlen Zentrum wird eine Umlenkrolle positioniert. Das Werkstück wird dann mit zwei verschiedenen Rollensätzen gedreht und manipuliert.

Eine Antriebsrolle drückt das Werkstück zwischen sich und die Tragrolle, wodurch das Donut-Loch allmählich vergrößert wird. Axialwalzen, die sich oben und unten befinden, drücken die Oberflächen des Donuts zusammen, um seine Dicke (oder zylindrische Höhe) zu verringern.

Das Endprodukt ist ein ringförmiges Bauteil, das keine Nähte und eine hervorragende, vom Originalwerkstück abgeleitete Kornstruktur aufweist. Das Walzringschmieden wird in der Regel für kritische Komponenten wie Getriebe, Kupplungen und Lager verwendet, die aus Funktions- und Sicherheitsgründen nahtlose Teile erfordern.

Präzisionsschmieden

Das Präzisionsschmieden, auch bekannt als Netzform- oder endformnahes Schmieden, ist ein Schmiedeverfahren das bei deutlich niedrigeren Temperaturen durchgeführt wird als beim Warmschmieden verwendet werden, was eine höhere Präzision ermöglicht. Bei Stahl liegt der Temperaturbereich beim Präzisionsschmieden zwischen 750 und 950 Grad Celsius (1380 bis 1740 Grad Fahrenheit).

Das Präzisionsschmieden ist in erster Linie ein Veredelungsverfahren und kein eigenständiger Vorgang. Komponenten, die mit anderen Schmiedetechniken hergestellt wurden, werden vor ihrer Verwendung oder weiteren Fertigungsprozessen zum Präzisionsschmieden geschickt.

Kaltschmieden

Das Präzisionsschmieden kann auch bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur, ein Verfahren, das gemeinhin als Kaltschmieden bezeichnet wird. Diese Methode liefert hochpräzise Endmaße und macht in der Regel zusätzliche Nachbearbeitungsschritte überflüssig. Es ist jedoch nicht für alle Metalle geeignet, und die Schmierung spielt eine entscheidende Rolle, um die Oberflächen der Gesenke zu schützen. Das Kaltschmieden wird häufig für weiche Metalle wie Aluminium verwendet.

Isothermisches Schmieden

Wie der Name schon sagt, wird das isothermische Schmieden bei einer festen Temperatur durchgeführt. Sowohl der Rohling als auch das Gesenk werden während des gesamten Schmiedevorgangs auf einer einheitlichen Temperatur gehalten.

Diese besonderen Bedingungen ermöglichen es, die Plastizität eines Metalls bei einer bestimmten Temperatur voll auszunutzen. Isothermes Schmieden wird in der Regel zum Schmieden von Aluminium verwendet, das im Vergleich zu anderen Metallen eine relativ niedrige Schmiedetemperatur von 430 °C (806 °F) aufweist.

Isothermes Schmieden bietet mehrere Vorteile, darunter eine höhere Präzision, eine geringere Fehlerquote, geringere Druckkräfte und eine höhere Plastizität des Materials.

Induktives Schmieden

Induktionsschmieden ist kein eigenständiges Metallschmiedeverfahren, sondern eine Erwärmungsmethode die zum Erreichen der Schmiedetemperatur verwendet wird. Induktionsspulen mit hoher Leistung ermöglichen einen schnellen Temperaturanstieg und werden in der Massenproduktion eingesetzt, um die Zykluszeiten zu verkürzen.

Wir können sie bei einer Reihe von Prozessen einsetzen, indem wir die Erwärmungseinrichtung an den jeweiligen Prozess anpassen.

Gesenkschmieden

Gesenkschmieden ist ein spezielles Verfahren zum Schmieden von Metall wird verwendet, um konische oder spitze Kanten an hohlen Querschnitten zu erzeugenwie z.B. Rohre. Das Gesenkschmieden wird zum Verschließen offener Enden oder zur Vergrößerung des Umfangs eines Rohrendes verwendet, um die Verbindung mit anderen Rohrabschnitten zu erleichtern.

Bei diesem Verfahren wird das Material zunächst auf seine Schmiedetemperatur erhitzt und dann gegen ein Gesenk gepresst, um das Rohrende umzuformen. Stellen Sie sich vor, Sie pressen einen flexiblen Gartenschlauch auf einen Wasseranschluss. Das Gesenkschmieden sieht optisch ähnlich aus, nur dass das Metallrohr seine Form behält, wenn es vom Gesenk getrennt wird. Dies ist nur ein spezifisches Beispiel. Die Prozessparameter können manipuliert werden, um eine Reihe von Ergebnissen zu erzielen.

Schlussfolgerung

Schmieden bietet deutliche Vorteile in der Metallverarbeitung. Es ist eine kostengünstige und vielseitige Methode zur Herstellung hochfester, zuverlässiger Produkte, die für kritische Anwendungen geeignet sind. Die raffinierte Kornstruktur, die beim Schmieden entsteht, verleiht eine außergewöhnliche Richtungsfestigkeit und strukturelle Integrität.

Daher wird dieses Verfahren für wichtige Komponenten wie Kurbelwellen, Eisenbahnräder und -schienen, Fahrzeugachsen, Pleuelstangen, Aufhängungen, Zahnräder, Wellen und Lager verwendet.

Das Schmieden ist seit immer mehr an Popularität gewonnen, insbesondere bei Metallen wie Titan und Superlegierungen. Es wird erwartet, dass sich dieses Verfahren in den kommenden Jahrzehnten durchsetzen wird, denn es wird immer genauer und raffinierter wird durch den Einsatz von fortschrittlichen Materialien und Simulationstechniken.

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