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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2004
Studienarbeit aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau, Note: 1,7, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung Konstanz (Maschinenbau), Veranstaltung: Fertigungsverfahren, Sprache: Deutsch, Abstract: Das Gesenkschmieden an sich ist ein Warm-Massivumformverfahren. Nach DIN 8583 gehört es zu den Druckumformverfahren mit gegeneinander bewegten Formwerkzeugen, wobei der Werkstoff in eine bestimmte Richtung gedrängt wird und die Form der im Gesenk vorhandenen Gravuren annimmt. Dabei wird das Rohteil (je nach Legierungszusätzen) auf ca. 1200 °C erwärmt und über mehrere Zwischenformen zum fertigen Werkstück umgeformt. Als Werkstoff können nahezu alle knetbaren Stähle und Nichteisenmetalle zur Herstellung eines Gesenkschmiedestückes verwendet werden. Jedoch ist für das Gesenkschmieden der wichtigste Werkstoff Stahl. Er lässt sich durch Legierungszusätze und Wärmebehandlung unterschiedlichen Anforderungen an Härte, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Warmfestigkeit, Zerspanbarkeit und Korrosionsbeständigkeit anpassen. Schmiedeteile sind vielseitige, sichere und wirtschaftliche Bauteile zur Übertragung von Kräften und Bewegungen. Das wichtigste ist aber, dass Schmiedeteile durch andere Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile ersetzt werden können. Dies ist oft der Fall, wenn die Sicherheit im Vordergrund steht oder die werkstoffspezifische Überlegenheit genutzt werden soll. Diese Überlegenheiten stellen sich als eine hohe Festigkeit und einen günstigeren Faserverlauf dar. Allerdings sind den Gestaltungsmöglichkeiten und auch den Einsatzgebieten natürlich gewisse Grenzen gesetzt. Diese gilt es gegeneinander abzuwägen.
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Geschichtliche Entwicklung
1.2 Technische und wirtschaftliche Bedeutung
2 Grundlagen
3 Werkstoffe
3.1 Definition
3.2 Vergleich des Umformverhaltens der Werkstoffe
3.3 Werkstoffarten
3.3.1 Unlegierte und legierte Baustähle
3.3.2 Nichtrostende Stähle
4 Unterteilung und Anwendung des Verfahrens
4.1 Übersicht über die Verfahren
4.2 Gesenkschmieden von der Stange (mit teilweise umschlossenem Werkstück)
4.2.1 Definition
4.2.2 Formrecken
4.2.3 Reckstauchen
4.2.4 Formrundkneten
4.2.5 Schließen im Gesenk
4.2.6 Formstauchen
4.3 Gesenkschmieden vom Stück (mit ganz umschlossenem Werkstück)
4.3.1 Definition
4.3.2 Anstauchen im Gesenk
4.3.3 Formpressen ohne Grat
4.3.4 Formpressen mit Grat
4.3.5 Gesenkdrücken
4.4 Gesenkschmieden vom Spaltstück
5 Arbeitsgänge und Arbeitsberechnungen
5.1 Arbeitsablauf beim Gesenkschmieden
5.2 Vorgänge im Gesenk
5.2.1 Definition
5.2.2 Stauchen
5.2.3 Breiten
5.2.4 Steigen
5.3 Materialeinsatzmasse mA
5.4 Berechnung des Grateinflusses
5.5 Kraft und Arbeitsberechnung
5.5.1 Umformgeschwindigkeit w0 zu Beginn
5.5.2 Mittlere Umformgeschwindigkeit wm
5.5.3 Formänderungswiderstand kwa zu Beginn der Umformung
5.5.4 Formänderungswiderstand kwe am Ende der Umformung
5.5.5 Maximale Presskraft F
5.5.6 Formänderungsarbeit W
6 Werkzeuge zum Gesenkschmieden
6.1 Prozessspezifische Unterscheidung
6.1.1 Vorformen
6.1.2 Zwischenformen
6.1.3 Entgraten
6.1.4 Endformen
6.2 Arten und Benennungen
6.3 Belastungen der Gesenke
6.3.1 Thermische Beanspruchung
6.3.2 Mechanische Beanspruchung
6.3.3 Tribologische Beanspruchung
6.3.4 Chemische Beanspruchung
6.4 Gesenkschäden
6.5 Schmieren von Gesenken
6.5.1 Aufgaben der Schmierung
6.5.2 Anforderungen der Schmierstoffe
6.6 Kühlen von Gesenken
6.7 Treibmittel
6.8 Herstellung von Gesenken
7 Gesenkschmiedemaschinen
7.1 Hauptunterschiede der Gesenkschmiedemaschinen
7.1.1 Weggebunden
7.1.1.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.1.2 Waagrechte Arbeitsbewegung
7.1.1.3 Rotatorische Arbeitsbewegung
7.1.2 Kraftgebunden
7.1.2.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.3 Arbeit- bzw. Energiegebunden
7.1.3.1 Senkrechte Arbeitsbewegung
7.1.3.2 Waagrechte Arbeitsbewegung
7.2 Bauarten
7.2.1 Exzenterschmiedepressen (Maximapressen)
7.2.2 Keilpressen
7.2.3 Spindelpressen
7.2.3.1 Funktionsweise der Spindelpressen
7.2.3.2 Funktionsweise der Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.3 Betriebsvorgänge bei Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.4 Der grundsätzliche Unterschied
7.2.3.5 Eigenschaften der Kupplungs-Spindelpressen
7.2.3.6 Spindelpressentypische Eigenschaften
7.2.3.7 Gesenkschmieden in Reihe
7.2.3.8 Das Verhältnis zu Schmiedepressen mit Kurbeltrieb
7.2.4 Hydraulische Pressen
7.2.5 Hämmer
7.2.6 Reckwalzen
7.2.7 Elektro-Stauchmaschinen
8 Wärmen von Gesenkschmieden
9 Gestaltung von Gesenkschmiedeteilen
10 Fertigungsbeispiele von Gesenkschmiedeteilen
11 Zusammenfassung auf Deutsch
12 Zusammenfassung auf Englisch
13 Literaturverzeichnis
13.1 Bücher
13.2 Zeitschriften
13.3 Internetrecherche
14 Abbildungsverzeichnis
15 Tabellenverzeichnis
1Einleitung
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[1] 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[2] 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[3]).
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]
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]
Tabelle 1.1 Anteile verschiedener Abnehmergruppen an den Gesamtlieferungen der Gesenkschmiedeindustrie im Jahre 1999 [6]
Die Bedeutung des Gesenkschmiedestücks für den modernen Maschinen- undFahrzeugbau 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 undSchweißenkombiniert.
3. Die nahezu unbegrenzte Werkstoffauswahl bei Stählen und Nichteisenmetallengestattet in Verbindung mit den verfügbaren modernen Wärmebehandlungsverfahren optimale Anpassung der Schmiedestückeigenschaften an den Verwendungszweck. Gebrauchseigenschaften und Bearbeitungseigenschaften lassen sichoptimal 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 einemArbeitsgang eine einzige Spanschicht so abheben, dass das Fertigmaß bei guterOberfläche erreicht wird. [6], [19]
Die Weltproduktion von Gesenkschmiedestücken aus Stahl wird auf über 10 Mill. Tonnen jährlich geschätzt. Der Gesamtwert aller in Ländern der westlichenWelt produzierten Gesenkschmiedestücke betrug 1999 weit über 7,5 Mrd. €. Dieim 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]
Abbildung 1.2 Produktionsvolumen in der EU: 1 990 500 t (1997) [16]
