Technologie der Fertigungsverfahren 1

Gesenkschmieden von Stahl

Michael Reichel MB 5

FH Konstanz

Übersicht der verwendeten Formelsymbole, Kurzzeichen und Einheiten

[...]

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 8
1.1 Geschichtliche Entwicklung 8
1.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung 9

2 Grundlagen 12

3 Werkstoffe 14
3.1 Definition 14
3.2 Vergleich des Umformverhaltens der Werkstoffe 14
3.3 Werkstoffarten 18
3.3.1 Unlegierte und legierte Baustähle 18
3.3.2 Nichtrostende Stähle 26

4 Unterteilung und Anwendung des Verfahrens 28
4.1 Übersicht über die Verfahren 28
4.2 Gesenkschmieden von der Stange (mit teilweise umschlossenem Werkstück) 29
4.2.1 Definition 29
4.2.2 Formrecken 30
4.2.3 Reckstauchen 30
4.2.4 Formrundkneten 31
4.2.5 Schließen im Gesenk 32
4.2.6 Formstauchen 33
4.3 Gesenkschmieden vom Stück (mit ganz umschlossenem Werkstück) 33
4.3.1 Definition 33
4.3.2 Anstauchen im Gesenk 35
4.3.3 Formpressen ohne Grat 36
4.3.4 Formpressen mit Grat 37
4.3.5 Gesenkdrücken 38
4.4 Gesenkschmieden vom Spaltstück 38

5 Arbeitsgänge und Arbeitsberechnungen 39
5.1 Arbeitsablauf beim Gesenkschmieden 39
5.2 Vorgänge im Gesenk 40
5.2.1 Definition 40
5.2.2 Stauchen 41
5.2.3 Breiten 42
5.2.4 Steigen 42
5.3 Materialeinsatzmasse mA 43
5.4 Berechnung des Grateinflusses 45
5.5 Kraft und Arbeitsberechnung 47
5.5.1 Umformgeschwindigkeit w0 zu Beginn 47
5.5.2 Mittlere Umformgeschwindigkeit wm 47
5.5.3 Formänderungswiderstand kwa zu Beginn der Umformung 48
5.5.4 Formänderungswiderstand kwe am Ende der Umformung 48
5.5.5 Maximale Presskraft F 49
5.5.6 Formänderungsarbeit W 49

6 Werkzeuge zum Gesenkschmieden 51
6.1 Prozessspezifische Unterscheidung 51
6.1.1 Vorformen 51
6.1.2 Zwischenformen 51
6.1.3 Entgraten 51
6.1.4 Endformen 52
6.2 Arten und Benennungen 52
6.3 Belastungen der Gesenke 53
6.3.1 Thermische Beanspruchung 54
6.3.2 Mechanische Beanspruchung 54
6.3.3 Tribologische Beanspruchung 54
6.3.4 Chemische Beanspruchung 54
6.4 Gesenkschäden 55
6.5 Schmieren von Gesenken 56
6.5.1 Aufgaben der Schmierung 56
6.5.2 Anforderungen der Schmierstoffe 56
6.6 Kühlen von Gesenken 56
6.7 Treibmittel 57
6.8 Herstellung von Gesenken 57

7 Gesenkschmiedemaschinen 57
7.1 Hauptunterschiede der Gesenkschmiedemaschinen 58
7.1.1 Weggebunden 58
7.1.1.1 Senkrechte Arbeitsbewegung 58
7.1.1.2 Waagrechte Arbeitsbewegung 58
7.1.1.3 Rotatorische Arbeitsbewegung 58
7.1.2 Kraftgebunden 58
7.1.2.1 Senkrechte Arbeitsbewegung 58
7.1.3 Arbeit- bzw. Energiegebunden 59
7.1.3.1 Senkrechte Arbeitsbewegung 59
7.1.3.2 Waagrechte Arbeitsbewegung 59
7.2 Bauarten 59
7.2.1 Exzenterschmiedepressen (Maximapressen) 61
7.2.2 Keilpressen 62
7.2.3 Spindelpressen 63
7.2.3.1 Funktionsweise der Spindelpressen 64
7.2.3.2 Funktionsweise der Kupplungs-Spindelpressen 66
7.2.3.3 Betriebsvorgänge bei Kupplungs-Spindelpressen 66
7.2.3.4 Der grundsätzliche Unterschied 68
7.2.3.5 Eigenschaften der Kupplungs-Spindelpressen 69
7.2.3.6 Spindelpressentypische Eigenschaften 71
7.2.3.7 Gesenkschmieden in Reihe 72
7.2.3.8 Das Verhältnis zu Schmiedepressen mit Kurbeltrieb 73
7.2.4 Hydraulische Pressen 73
7.2.5 Hämmer 74
7.2.6 Reckwalzen 75
7.2.7 Elektro-Stauchmaschinen 75

8 Wärmen von Gesenkschmieden 75

9 Gestaltung von Gesenkschmiedeteilen 76

10 Fertigungsbeispiele von Gesenkschmiedeteilen 76

11 Zusammenfassung auf Deutsch 78

12 Zusammenfassung auf Englisch 81

13 Literaturverzeichnis 83
13.1 Bücher 83
13.2 Zeitschriften 83
13.3 Internetrecherche 84

14 Abbildungsverzeichnis 85

15 Tabellenverzeichnis 87

1 Einleitung

1.1 Geschichtliche Entwicklung

Die Wurzeln des Gesenkschmiedens reichen mehrere Jahrtausende zurück. Die erste Wurzel ist das Schmieden von Eisen schlechthin; sie lässt sich bis auf die Anfänge der Eisengewinnung in Rennfeuern mit dem Ausschmieden der Luppen zu Stäben und deren Weiterverarbeitung zu Waffen, Schmuck und Gerät zurückführen. Dafür wurde die ganze Kraft und Geschicklichkeit des Schmiedens eingesetzt. Dieses wurde damals hoch angesehen. In der griechischen Mythologie ist der Schmied zum Gott Hephaistos geworden; aus der germanischen ist der mit übermenschlichen Fähigkeiten ausgestattete Wieland bekannt. Eine weitere Grundlage geht auf die Münztechnik zurück. Erste Vorläufer unserer heutigen Gesenke sind die antiken einseitigen Steinhohlformen zum Prägen von Gold- und Silberblechen für die Schmuckherstellung (Mykene und Kreta ab 1600 v. Chr.). Ab 800 v. Chr. werden die Münzen mit einseitiger Prägung in ähnlichen Formen gefertigt, und ab 600 v. Chr. sind die ersten Bronzewerkzeuge überliefert. Um 200 n. Chr. verwandte man in Rom bereits ein geschlossenes Münzgesenk zur Doppelprägung mit quadratischer Führung des Oberstempels. Im Mittelalter handhabte man sich einseitiger, flacher Gesenke zum Schmieden ornamentaler Eisenteile (etwa 1250 n. Chr.). Rollgesenke zum Schmieden von Perldraht wurden schon früher (980 n. Chr.) von Theophilus Presbyter beschrieben. Im ausgehenden Mittelalter dienten Rollgesenke häufig zum Schmieden von Kanonen- und Arkebusenkugeln von der Stange oder zum Überschmieden geschweißter Läufe. Die Gesenke in heutiger Form sind allerdings erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts zu finden. Sie waren für das Gesenkschmieden im modernen Sinne erst zu dieser Zeit zu verwenden, nachdem geeignete Maschinen, Fallhämmer mit geführtem Bären (etwa um 1750), zur Verfügung standen. Diese Gesenke gehen auf die Pfahlrammen zurück. Im Mittelalter waren auch schon Fallhammerbauarten zum Prägen von Münzen bekannt (Leonardo Da Vinci ).
Sämtliche Grundlagen des Schmiedens von Stahl wuchsen im Wesentlichen erst im Laufe des 19. Jahrhunderts zusammen und begründeten das Arbeitsverfahren des Gesenkschmiedens.

Mitte vorigen Jahrhunderts entstanden z. B. die ersten Messerschlägereien in Solingen. Zunächst auf handwerklicher Tradition beruhend, hat sich das Gesenkschmieden sodann etwa ab 1870 zu einem industriellen Arbeitsverfahren entwickelt, das zum größten Teil in einem eigenen Industriezweig, der Gesenkschmiedeindustrie, zum Teil jedoch auch in Schmiedeabteilungen größerer Werke ausgeübt wird. Hierbei ist ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem Gesenkschmieden und dem Austauschbau, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, festzustellen. [1]

[Abb. nur in Downloaddatei enthalten]

Abbildung 1.1 Blick in eine Produktionshalle (um 1910) [24]

Zugleich nahm die Genauigkeit der Gesenkschmiedestücke laufend zu. Diese Entwicklung wurde durch Aufstellung von Toleranznormen und Lieferbedingungen in verschiedenen Ländern ab 1937 beträchtlich gefördert. Mit dem stets steigenden Massenbedarf der ebenso laufend wachsenden Weltbevölkerung wird das Gesenkschmieden, dessen Natur die Massenfertigung ist, seine Bedeutung noch vermehren. Als Arbeitsverfahren der Umformtechnik erspart es Zeit und Stoff und erfüllt gleichzeitig hohe Ansprüche an die technischen Eigenschaften der Werkstücke. [1]

1.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung

Das Gesenkschmieden zählt zu den Verfahren der Massenproduktion einzelner Werkstücke. Die Gesenkschmiedestücke können eine Masse von wenigen Gramm oder mehreren Tonnen haben. Des weiteren können die Abmessungen der Bauteile mehrere Meter betragen. Die Seriengrößen liegen zwischen einigen Stück bis zu mehreren Millionen.

Gesenkschmiedestücke werden im wesentlichen als Konstruktionsteile für Maschinen, insbesondere Fahrzeuge verwendet, daneben dienen sie der Herstellung von Werkzeugen wie Hämmer, Zangen, Schraubenschlüssel und von Befestigungsmitteln wie Schrauben, Bolzen, Nieten, Muttern. Die Verteilung auf verschiedene Abnehmergruppen entsprechend Tabelle 1.1 zeigt einerseits deutlich die Schwerpunkte, andererseits aber auch die Breite der Anwendung von Gesenkschmiedestücken. [6], [19]

[Tab. nur in Downloaddatei enthalten]

Tabelle 1.1 Anteile verschiedener Abnehmergruppen an den Gesamtlieferungen der Gesenkschmiedeindustrie im Jahre 1999 [6]

Die Bedeutung des Gesenkschmiedestücks für den modernen Maschinen- und Fahrzeugbau lässt sich in den folgenden 6 Punkten zusammenfassen:

1. Gesenkschmiedestücke sind innerhalb jeder Metallgruppe Konstruktionsteile, deren Stoff entsprechend den Formgebungsmöglichkeiten des Gesenkschmiedens optimal ausgenutzt wird. Das günstige Festigkeits-Gewichtsverhältnis von Gesenkschmiedestücken erlaubt die Fertigung von hochbeanspruchbaren und dennoch verhältnismäßig leichten Bauteilen.
2. Um hohe wirtschaftliche und konstruktive Vorteile zu erzielen, wird das Gesenkschmiedestück mit anderen Fertigungsverfahren wie z.B. Kaltprägen, Fließpressen und Schweißen kombiniert.
3. Die nahezu unbegrenzte Werkstoffauswahl bei Stählen und Nichteisenmetallen gestattet in Verbindung mit den verfügbaren modernen Wärmebehandlungsverfahren optimale Anpassung der Schmiedestückeigenschaften an den Verwendungszweck. Gebrauchseigenschaften und Bearbeitungseigenschaften lassen sich optimal einstellen.
4. Durch die vorgegebenen Toleranzen und Genauigkeitsstufen der Abmessungen und der Form, kann ein Gesenkschmiedestück als Rohteil oder Endteil weiter verarbeitet werden.
5. Gesenkschmiedestücke sind frei von Poren und anderen Hohlräumen; sie haben ein dichtes, homogenes Gefüge, das mit modernen Verfahren Stück für Stück prüfbar ist. Gesenkgeschmiedete Bauteile werden deshalb überall dort verwendet, wo es auf ein hohes Maß an Sicherheit ankommt.
6. Gesenkschmiedestücke haben denkbar geringe und in engen Grenzen gleichmäßige Stoffzugaben. Damit entfällt unnötige Bearbeitungszeit und unnötige Beförderung nutzloser Abfälle. In Verbindung mit den anfallenden großen Mengen ist der Einsatz leistungsfähiger Bearbeitungsverfahren, z. B. des Räumens möglich, mit dem das Bearbeitungsideal erreicht wird. Man kann von der Schmiedefläche in einem Arbeitsgang eine einzige Spanschicht so abheben, dass das Fertigmaß bei guter Oberfläche erreicht wird. [6], [19]

Die Weltproduktion von Gesenkschmiedestücken aus Stahl wird auf über 10 Mill. Tonnen jährlich geschätzt. Der Gesamtwert aller in Ländern der westlichen Welt produzierten Gesenkschmiedestücke betrug 1999 weit über 7,5 Mrd. €. Die im Industrie-Verband Deutscher Schmieden zusammengeschlossenen Unternehmen produzieren mit 25000 Beschäftigten gegenwärtig etwa l Mill. t Gesenkschmiedestücke bei einem Stahleinsatz von etwa 1,2 Mill. t im Jahr. Daneben werden etwa 25000 t Gesenkschmiedestücke aus Kupfer- und 10000 t aus Aluminiumlegierungen produziert. Bei den Unternehmen der amerikanischen Forging Industry Association hat die Produktion von Gesenkschmiedestücken aus Nichteisenmetallen, insbesondere hochbeanspruchten Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt nach 1970 die Produktion an Gesenkschmiedestücken aus Stahl wertmäßig stark überschritten. [6]

[Abb. nur in Downloaddatei enthalten]

Abbildung 1.2 Produktionsvolumen in der EU: 1 990 500 t (1997) [16]

2 Grundlagen

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