Smeden – Proces, classificatie en methoden

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Smeden is een fabricageproces waarbij metalen worden gevormd door middel van hameren, persen of walsen. Het vindt zijn oorsprong al in 4000 voor Christus in Mesopotamië. Het proces evolueerde op natuurlijke wijze van eenvoudig hameren, toen vroege mensen ontdekten dat het verhitten van metaal het gemakkelijker maakte om het te vormen. Smeden gebruikten ovens om metalen te verhitten, waardoor ze wapens en gereedschappen zoals zwaarden en landbouwwerktuigen konden maken.

In de loop der eeuwen heeft het smeden aanzienlijke vooruitgang geboekt om aan de eisen van moderne industrieën te voldoen. Laten we beginnen.

Wat is smeden?

Smeden is een productieproces dat gebruik maakt van hitte en hoge druk om metaal in de gewenste vorm te brengen. Bij verhitting tot hoge temperaturen wordt ruw metaal kneedbaar. Fabrikanten kunnen handkracht, hydraulische persen en andere gespecialiseerde apparatuur gebruiken om het metaal met relatief gemak te vormen.

De meeste gesmede producten worden tegenwoordig vervaardigd met behulp van elektrisch aangedreven persen. Bepaalde speciale producten, zoals messen van Damascusstaal, worden echter nog steeds met traditionele handmatige methoden vervaardigd.

Enkele populaire metalen die gebruikt worden bij het smeden zijn gelegeerd staal, aluminium, messing, koolstofstaal, koper, duplexstaal, nikkel, roestvrij staal, titanium en gereedschapsstaal. Over het algemeen kunnen metalen die niet erg bros zijn smeedprocessen ondergaan. Aan de andere kant zijn materialen zoals gietijzer, bepaalde staalsoorten met een hoog koolstofgehalte en andere brosse legeringen ongeschikt om te smeden omdat ze niet bestand zijn tegen schokbelastingen.

Gesmede onderdelen bieden tal van voordelen, waaronder een verfijnde korrelstructuur, een hogere weerstand tegen vermoeiing en een hogere sterkte. Bovendien is het eindproduct vrij van defecten zoals poreusheid, scheuren en blaasgaten.

Smeden kan worden ontworpen om onderdelen in massa te produceren zonder overtollig metaal te gebruiken. Het wordt veel gebruikt in veiligheids- en prestatiegerichte industrieën, zoals de ruimtevaart, de automobielindustrie en de olie- en gasindustrie, voor kritieke onderdelen zoals krukassen, hogedrukkleppen, kogelgewrichten, nokken en tandwielen.

Stappen van het smeedproces

Hitte en hoge druk maken de meeste metalen zachter, waardoor smeden met een groot aantal materialen effectief kan zijn. Maar omdat de eigenschappen van verschillende metalen variëren, moet het smeedproces daaraan worden aangepast. Laten we een typisch smeedproces bekijken om de belangrijkste stappen te begrijpen:

Matrijsontwerp en productie

Moderne smeedprocessen gebruiken matrijzen om de nauwkeurigheid, precisie en snelheid van de geproduceerde onderdelen te verbeteren. Het ontwerp en de productie van matrijzen is de eerste stap in het smeedproces. Een goede matrijs kan voordelen bieden zoals een betere korrelstroom, een goede oppervlakteafwerking, minder verspilling, verbeterde maatnauwkeurigheid en een consistente productiekwaliteit.

Voorbereiding van staven en inkepingen

Staafjes of ingots met verschillende dwarsdoorsneden dienen als grondstoffen voor het smeedproces. Afhankelijk van de productspecificaties worden de vereiste lengtes van de juiste dwarsdoorsneden gesneden en in de productielijn voor het smeden opgenomen.

Verwarming

Het heeft geen zin om op een metaal te slaan dat koud is. In deze stap wordt het metaal verwarmd, meestal in een oven, tot de smeedtemperatuur. De smeedtemperatuur voor staal ligt tussen 850 en 1150 graden Celsius.terwijl de ideale smeedtemperatuur voor aluminium tot 500 graden Celsius ligt. De specifieke verwarmings- en weektemperaturen voor het smeedproces worden bepaald op basis van het type metaal dat wordt gebruikt.

Smeden

Het verhitte metaal wordt naar de matrijs gebracht, waar het in vorm wordt geperst. Er kunnen meerdere passages door verschillende matrijzen nodig zijn om de uiteindelijke vorm te krijgen. Bovendien kan het nodig zijn om het onderdeel tussen de persbewerkingen door opnieuw te verwarmen.

Warmtebehandeling

De meeste onderdelen ondergaan na het smeden een warmtebehandeling om specifieke mechanische eigenschappen, zoals sterkte en hardheid, te verbeteren. De warmtebehandelingsprocessen die gewoonlijk worden gebruikt, zijn gloeien, ontlaten, afschrikken, normaliseren, oplossingsbehandeling en harding.

Koelen

Koelen biedt een uitstekende mogelijkheid om eigenschappen zoals sterkte en korrelstructuur te verbeteren. Door gebruik te maken van verschillende koelmechanismen en -snelheden kan de ontwikkeling van gewenste eigenschappen in gesmede onderdelen worden bevorderd.

Afwerking

Het onderdeel kan nabewerkingen nodig hebben, zoals machinale bewerking, bijsnijden en oppervlaktebehandeling, voordat het geschikt is voor gebruik. Bovendien kunnen eigenschappen zoals corrosiebestendigheid en esthetiek verbeterd worden door in dit stadium specifieke coatings aan te brengen.

Hoe smeedprocessen classificeren

Voortdurend onderzoek en vooruitgang in de metallurgie hebben geleid tot de ontwikkeling van verschillende variaties van het smeedproces. Tegenwoordig wordt een breed scala aan smeedtechnieken gebruikt om verschillende combinaties van eigenschappen in het eindproduct te bereiken. Om de verschillende soorten smeedprocessen beter te begrijpen, zullen we twee primaire classificatiemethoden gebruiken. Smeedprocessen kunnen worden ingedeeld volgens –

Indeling naar temperatuur

Er zijn drie hoofdtypen smeedprocessen gecategoriseerd volgens temperatuur: koud smeden, warm smeden, koud smeden, warm smeden. of warm smeden.

Warm smeden

Heet smeden is de originele smeedprocedure waarbij het metaal verhit wordt tot een temperatuur die hoger is dan de herkristallisatietemperatuur. Deze temperatuur ligt meestal tussen 0,3 en 0,4 keer het smeltpunt van zuivere metalen, terwijl hij voor legeringen ongeveer halverwege ligt. Bij deze verhoogde temperatuur verlicht de microstructuur van het metaal eventuele interne spanningen en vormt nieuwe korrels, waardoor de mechanische eigenschappen zoals sterkte en vervormbaarheid verbeteren.

Zodra het metaal deze temperatuur bereikt, wordt er een drukkracht uitgeoefend om het in de gewenste vorm te gieten. Warmgesmede producten hebben minder drukkracht nodig, omdat het materiaal bij hogere temperaturen gemakkelijker vervormt.

Heet smeden heeft echter verschillende nadelen. Het biedt lagere precisieen de uiteindelijke oppervlak is ruwer in vergelijking met andere processen. Bovendien is het werkstuk gevoelig voor defecten zoals oxidatie, ontkoling en brandschade.

Warm smeden

Bij warm smeden wordt het metaal verwarmd tot boven kamertemperatuur terwijl het nog steeds ver onder de herkristallisatietemperatuur blijft. De warmte maakt het metaal plooibaarder. Vergeleken met warm smeden, resulteert warm smeden in een gladder oppervlak en een grotere precisiemaar het heeft ook een hogere weerstand tegen vervorming. Bijgevolg, grotere drukkrachten nodig zijn om het metaal te vormen bij warm smeden dan bij warm smeden.

Koud smeden

Een smeedproces dat bij kamertemperatuur wordt uitgevoerd, wordt koud smeden genoemd. Bij dit proces wordt het metaal niet verhit; in plaats daarvan worden er drukkrachten uitgeoefend om het materiaal direct vorm te geven. Deze techniek levert het volgende op superieure oppervlakteafwerkingen, hoge dimensionale nauwkeurigheiden onderdelen die direct klaar zijn voor gebruik. Bovendien is koud smeden een van de eenvoudigste processen om te automatiseren.

Het proces vereist hoogtonige persenomdat er aanzienlijke drukkrachten nodig zijn. Het onderdeel is ook gevoelig voor barsten vanwege de lage plasticiteit bij lage temperaturen.

Op gebruikte gereedschappen en apparatuur

We kunnen ook gereedschap en uitrusting gebruiken om smeedprocessen te classificeren. Traditioneel gebruikten smeden rudimentaire apparatuur zoals hamers en aambeelden om metalen te smeden. Na verloop van tijd dreven waterraderen grote blaasbalgen aan, waardoor bloomerijen om hogere oventemperaturen te bereiken.

Daarna, met de Industriële Revolutie, werden mechanische en hydraulisch aangedreven persen en stoters geïntroduceerd, die matrijzen gebruikten om complexere vormen te produceren door middel van smeden. Daarnaast werd in deze periode de rolsmeedmechanisatie ontwikkeld, waarbij robuuste rollen gebruikt werden om langwerpige onderdelen met verschillende doorsneden te maken.

Soorten smeedmethoden

Het smeedproces vertakt zich in verschillende methoden, afhankelijk van factoren zoals proceslay-out, soorten geproduceerde onderdelen, mate van automatisering en het type apparatuur dat gebruikt wordt. In dit gedeelte zullen we deze factoren integreren om een overzicht te geven van enkele van de populairste smeedprocessen die vandaag de dag gebruikt worden. De methoden die we zullen behandelen, zijn onder andere de volgende:

Druppelsmeden

Valsmeden is een productieproces waarbij een valhamer vanaf een specifieke hoogte op een werkstuk wordt losgelaten. Het werkstuk wordt op een stationair aambeeld geplaatst. De krachten die door meerdere slagen worden gegenereerd, drukken het werkstuk geleidelijk in de gewenste vorm.

Druppelsmeden kan in twee types worden onderverdeeld: smeden met open matrijs en smeden met gesloten matrijs. Bij het smeden met een open matrijs is er geen matrijs boven het werkstuk geplaatst; in plaats daarvan maakt de hamer direct contact met het oppervlak van het werkstuk. Een variant van het smeedproces met open matrijs staat bekend als cogging waarbij het materiaal op zijn plaats wordt gehouden met behulp van metalen klauwen, terwijl de manipulatoren (metalen matrijzen) vanuit twee of vier richtingen naderen om de vorm te veranderen.

Bij het smeden met gesloten matrijzen wordt het werkstuk daarentegen ingekapseld in de matrijs. Smeden met gesloten matrijzen staat ook bekend als impression-die forging. De gewenste uiteindelijke vorm kan in één of beide matrijzen (boven en onder) gegoten worden. Als de hamer op de bovenste matrijs slaat, wordt het metaal dat gesmeed wordt gedwongen om de matrijsholte te vullen.

Het tegenblazen is een variatie op de druppelsmeedtechniek. In tegenstelling tot het druppelsmeden, dat op de zwaartekracht steunt, gebruikt het tegenblazen lucht of olie onder hoge druk om de smeedmatrijsholten naar elkaar toe te versnellen. De metaalvoorraad die zich tussen de matrijzen bevindt, absorbeert de intense botskrachten die door de versnellende matrijzen worden gegenereerd, waardoor het zich naar de vorm van de matrijzen kan vormen.

Perssmeden

Perssmeedwerk maakt gebruik van een principe dat vergelijkbaar is met valsmeden, maar in plaats van te vertrouwen op impact, gebruikt het een continue kracht die langer aanhoudt. Het is een gecontroleerd persen in plaats van een plotselinge impact.

De impact van het druppelsmeden vervormt de kern van het metalen werkstuk niet; de effecten blijven beperkt tot de oppervlaktelaag. Daarentegen resulteert de continue druk die wordt uitgeoefend bij het perssmelten in plastische vervorming in het hele volume van het onderdeel. Smeedpersen kunnen een koud of warm smeedproces gebruiken.

Smeden onder druk

Stompsmeedwerk, ook bekend als kopsmeden, gebruikt een reeks matrijzen om een uiteinde van een werkstuk te vervormen of te verstuiken. Dit proces wordt vaak gebruikt om de dwarsdoorsnede van ronde staven aan één uiteinde te vergroten om artikelen zoals spijkers, bouten en schroeven te vormen.

De ronde staaf wordt vastgezet met grijpmatrijzen, terwijl een andere matrijs naar het blootgestelde uiteinde beweegt, het samenperst en de vorm verandert.

Automatisch warm smeden

De methode voor automatisch warm smeden biedt een snelle en efficiënte manier voor massaproductie van van stalen staven. Aan de ene kant van de automatische warmwalserij worden stalen staven met gespecificeerde lengtes in de machine gevoerd. Deze staven worden inductieverhit, ontkalkt, gesneden en binnen enkele seconden tot afgewerkte producten gesmeed in de smeedmachine.

De onderdelen kunnen verschillende vormfasen ondergaan terwijl ze in de machine zitten. De uitvoer van de smeedmachine wordt soms koud of precisiegesmeed om de voordelen in het eindproduct te verkrijgen.

Rollensmeden

Walsensmeden, vergelijkbaar met automatisch smeden, is een gespecialiseerd smeedproces dat kan onderdelen met een unieke dwarsdoorsnede kan produceren op grote schaal.

Bij walssmeden worden twee tegenover elkaar liggende rollen gebruikt die lange staven met een vlakke of ronde dwarsdoorsnede ontvangen. Terwijl de staaf door de opening tussen de rollen gaat, wordt deze samengedrukt, waardoor de dikte afneemt en de lengte van het materiaal toeneemt.

Als het onderdeel er eenmaal doorheen is, kan het worden omgekeerd en opnieuw door dezelfde of een andere set rollen worden gevoerd als het eindproduct meerdere fasen vereist.

Walssmeden kan van het warme of koude type zijn. Warm smeden vereist lichtere drukkrachten. Het walssmeedproces resulteert in een uitstekende korrelstructuur van het werkstuk.

Gewalst ringsmeden

Het proces van ringen smeden produceert naadloze metalen ringen van het smeedproces. Het proces begint met het doorboren van een cilindrische voorraad vanuit het midden om een donutvorm te creëren. In dit holle centrum wordt een looprol geplaatst. Het werkstuk wordt vervolgens gedraaid en gemanipuleerd met behulp van twee verschillende sets rollen.

Een aandrijfrol drukt het werkstuk tussen zichzelf en de vrijlooprol, waardoor het donutgat geleidelijk groter wordt. Axiaalrollen, die zich aan de boven- en onderkant bevinden, drukken de oppervlakken van de donut samen om de dikte (of cilindrische hoogte) te verminderen.

Het eindproduct is een ringvormig onderdeel zonder naden en met een uitstekende korrelstructuur die afkomstig is van het oorspronkelijke werkstuk. Het smeden van gewalste ringen wordt meestal gebruikt voor kritieke onderdelen, zoals tandwielen, koppelingen en lagers, waarvoor naadloze onderdelen nodig zijn voor zowel functionele als veiligheidsdoeleinden.

Precisie smeden

Precisie smeden, ook bekend als netvormig of bijna netvormig smeden, is een smeedproces dat bij aanzienlijk lagere temperaturen wordt uitgevoerd dan de temperaturen die gebruikt worden bij warm smeden, waardoor een grotere precisie mogelijk is. Voor staal ligt het temperatuurbereik bij precisie smeden tussen 750 en 950 graden Celsius (1380 tot 1740 graden Fahrenheit).

Precisiesmeden is voornamelijk een nabewerkingsproces in plaats van een op zichzelf staande bewerking. Onderdelen die met andere smeedmethoden zijn vervaardigd, worden naar het precisiesmeden gestuurd voordat ze worden gebruikt of aanvullende fabricageprocessen ondergaan.

Koud smeden

Precisie smeden kan ook worden uitgevoerd bij bijna-omgevingstemperaturen, een proces dat gewoonlijk koud smeden wordt genoemd. Deze methode levert zeer nauwkeurige eindafmetingen op en maakt meestal extra nabewerkingen overbodig. Het is echter niet geschikt voor alle soorten metalen, en smering speelt een cruciale rol in het behoud van de parenoppervlakken van de matrijzen. Koud smeden wordt vaak gebruikt voor zachte metalen zoals aluminium.

Isotherm smeden

Zoals de naam al aangeeft, wordt isotherm smeden uitgevoerd bij een vaste temperatuur. Zowel de blenk als de matrijs worden tijdens het gehele smeedproces op een uniforme temperatuur gehouden.

Deze specifieke omstandigheden maken het mogelijk om de plasticiteit van een metaal bij een bepaalde temperatuur volledig te benutten. Isotherm smeden wordt vaak gebruikt om aluminium te smeden, dat een relatief lagere smeedtemperatuur van 430 °C (806 °F) heeft in vergelijking met andere metalen.

Isotherm smeden biedt verschillende voordelen, waaronder grotere precisie, minder defecten, lagere drukkrachten en verbeterde plasticiteit van het materiaal.

Inductiesmeden

Inductiesmeden is geen apart metaalsmeedproces, maar eerder een verwarmingsmethode die gebruikt wordt om de smeedtemperatuur te bereiken. Krachtige inductiespoelen zorgen voor een snelle temperatuurstijging en worden gebruikt in massaproductieomgevingen om de cyclustijden te verkorten.

We kunnen het in een reeks processen gebruiken door de verwarmingsopstelling aan te passen aan het proces.

Swaging

Swaging is een gespecialiseerd smeedproces voor metaal dat wordt gebruikt om tapse of puntige randen op holle dwarsdoorsneden te makenzoals pijpen. Swaging wordt gebruikt om open uiteinden af te dichten of om de omtrek van het uiteinde van een pijp te vergroten, zodat deze gemakkelijker met andere pijpschalen verbonden kan worden.

In dit proces wordt het materiaal eerst verwarmd tot de smeedtemperatuur en vervolgens tegen een matrijs gedrukt om het buiseinde een nieuwe vorm te geven. Stelt u zich eens voor hoe u een flexibele tuinslang op een wateruitlaataansluiting perst. Swaging lijkt daar visueel op, behalve dat de metalen pijp zijn vorm behoudt wanneer hij van de matrijs wordt losgemaakt. Dit is slechts één specifiek voorbeeld. De procesparameters kunnen worden gemanipuleerd om verschillende resultaten te verkrijgen.

Conclusie

Smeden biedt duidelijke voordelen bij metaalbewerking. Het is een kosteneffectieve en veelzijdige methode voor het produceren van betrouwbare producten met een hoge sterkte die geschikt zijn voor kritieke toepassingen. De verfijnde korrelstructuur die het resultaat is van smeden, zorgt voor uitzonderlijke richtsterkte en structurele integriteit.

Daarom wordt dit proces gebruikt voor cruciale onderdelen zoals krukassen, spoorwielen en rails, voertuigassen, drijfstangen, ophangingen, tandwielen, assen en lagers.

Smeden is gestaag aan populariteit gewonnen, vooral met metalen zoals titanium en superlegeringen. Er wordt verwacht dat dit proces in de komende decennia meer mainstream zal worden, omdat het steeds nauwkeuriger en verfijnder wordt door het gebruik van geavanceerde materialen en simulatietechnieken.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.